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GUIA DE INSTRUMENTACIÓN
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INSTRUMENTACION
INTRODUCCION
Si analizamos nuestras actividades cotidianas, desde el momento que suena la alarma de un despertador y nos
preparamos para desarrollar nuestras actividades diarias, así como encender un foco o escuchar el encendido o apagado del
motor de la bomba, etc., nos auxiliaremos de instrumentos que nos ayudan a desarrollar ciertas actividades oportunamente con
eficiencia, rapidez, etc.
De igual manera mecánicos, electricistas, médicos, ingenieros y arquitectos, se auxilian de instrumentos para llevar a cabo sus
actividades diarias, con el objetivo de lograr un avance con la mayor eficiencia, calidad y volumen de producción.
Es lógico pensar que para las industrias, sin importar el tamaño de estas, es imprescindible el uso de instrumentos
industriales, para facilitar la manufactura de sus productos.
Como consecuencia de la globalización de los mercados internacionales, se ha orillado a los países del tercer mundo a
competir en el mercado con productos de calidad, precio y tiempos de entrega oportunos.
Para lograr lo anterior es importante, que los industriales de nuestro país, implementen la instrumentación y la
automatización de sus procesos con el avance tecnológico requerido para mantenerse en el mercado nacional e internacional si
es posible.
¿QUE ES LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL?
Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados para apoyar al usuario en la medición,
regulación, observación, transformación, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un proceso productivo.
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Los instrumentos industriales pueden realizar las siguientes funciones:
1. Sensar o captar una variable
2. Acondicionar una variable dada
3. Transmitir una variable
4. Controlar una variable
5. Indicar la magnitud de una variable
6. Totalizar una variable
7. Registrar una variable
8. Convertir una variable
9. Alarmar por magnitud una variable
10. Interrumpir o permitir una secuencia dada
11. Transmitir una señal
12. Amplificar una señal
13. Manipular una variable del proceso, etc.
CLASIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS INDUSTRIALES
Clasificar los instrumentos industriales, implica entrar a un tema muy amplio, ya que se requiere un conocimiento tanto teórico
como práctico en la aplicación industrial de estos equipos.
De acuerdo a la experiencia se tratará de hacer algunas clasificaciones en forma breve y lo más explicito posible para el lector:
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1. Por su aplicación:
1.1. Neumáticos
1.2. Hidráulicos
1.3. Eléctricos
1.4. Electrónicos
1.5. Electromecánicos
1.6. Mixtos
1.7. Transductores
1.8. Amplificadores
1.9. Indicadores
1.10. Analizadores
1.11. Estación de operador
1.12. Estación de control
1.13. Estación de transferencia
1.14 Relevador de cálculo.
2. Por su localización:
2.1. Instalados en campo
2.2. Instalados localmente
2.3. Instalados en tablero principal
2.4. Instalados remotamente.
3. Por su tecnología:
3.1. Sistemas discretos
3.2. Sistemas de control digital directo
3.3. Sistemas de supervisión
3.4. Sistemas de control supervisorio
3.5. Sistemas de control supervisorio y
adquisición de datos
3.6. Sistemas de control distribuido
3.7. Sistemas de control avanzado
3.8. Sistemas de control adaptables
3.9. Sistemas expertos.
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CARACTERISTICAS DE LOS INSTRUMENTOS
EL SENSOR O CAPTOR:
Este es el instrumento capaz de captar las variaciones de las magnitudes o intensidades de las variables, tales como:
1. Temperatura
2. Nivel
3. Flujo
4. Presión
5. Conductividad
6. PH
7. Tensión eléctrica
8. Potencia eléctrica
9. Revoluciones por minuto
10. Posición
11. Intensidad de radiación
12. Turbidez
13. Intensidad luminosa
14. Consistencia, etc.
Este instrumento puede estar como elemento unitario o integrado a un transmisor según sea el tipo de aplicación.
TECNICAS DE CONTROL
INTRODUCCION
A medida que avanza la tecnología aplicada en la fabricación de los instrumentos industriales, los usuarios tienen en sus
manos cada día herramientas mas poderosas para fabricar los productos con mayor calidad a costos bajos y tiempos de entrega
mas cortos.
Implementar una técnica de control a un proceso dado, implica un conocimiento amplio sobre la dinámica del proceso y
de todas las variables que intervienen en el, además de tener presente los algoritmos de control de cada lazo.
Independientemente del sistema de control que se aplique a un proceso dado, los algoritmos y las estrategias son
aplicables.
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Estas estrategias, se aplican con el fin de lograr un control regulatorio optimo sobre la variable o variables de interés, las
cuales toman estados inestables en la operación normal del proceso, como resultado de las perturbaciones internas y externas al
proceso.
En consecuencia, el funcionamiento correcto de un sistema de control esta determinado por la naturaleza del proceso, de
las características de los lazos de control y de los ruidos externos.
PERTURBACIONES O RUIDOS EN EL PROCESO
En una planta industrial, por condiciones mismas de la carga existente para su operación, el ruido esta implícito en ellas, por lo
tanto hay que tomar en cuenta sus efectos en la regulación de alguna variable.
Los ruidos son de distintos tipos, como son:
1. Ruidos eléctricos:
1.1. Variación de tensión
1.2. Variación de corriente
1.3. Armónicas en la señal eléctrica
1.4. Factor de potencia
1.5. Cortos circuitos
1.6. Inductivos
1.7. Por semiconductores
1.8. Etc.
2. Ruidos térmicos:
2.1. Temperatura ambiente
2.2. Constante térmica de los materiales
2.3. Reacciones exotérmicas
3. Ruidos por tiempos muertos:
3.1. En motores
3.2. En tanques
3.3. En tuberías
3.4. En reacciones químicas
3.5. En transmisiones de señal electrónicas
3.6. En transmisiones de señales eléctricas
3.7. En transmisiones de señales mecánicas
2.8. Etc.
4. Ruidos por transmisión de señales:
4.1. Vía inalámbrica
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TÉCNICAS DE CONTROL
En la industria, la aplicación del control retroalimentado en un proceso para regular la magnitud de una variable en un
valor deseado, es común, que en algunos casos el error estático existente es pequeño y es relativamente sencillo mejorar el
control a través de correcciones simples, pero en ocasiones no es posible, ya que, por condiciones del proceso se tiene un error
estático considerable y/o inestable.
Antes de aplicar una técnica de control diferente a la retroalimentada en un proceso, es importante tomar en cuenta que
un regulador instalado, al iniciar su operación, requiere de una sintonización en línea sin importar la calidad de esta.
Si por algún motivo no es posible reducir el error estático a la inestabilidad del proceso, se debe pensar entonces en la
estrategia de control, para mejorar la respuesta de esa variable en función a la calidad del producto.
TÉCNICAS O ESTRATEGIAS DE CONTROL
1. Control retroalimentado.
2. Control anticipativo.
3. Control en cascada.
4. Control de relación.
5. Control selectivo.
6. Control de set point programable.
7. Control de set point programable cíclico.
8. Control de rango dividido.
9. Control de ajuste de punto final.
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CONTROL RETROALIMENTADO (FEED BACK)
Objetivo: Mantener constante una variable en un valor deseado o variable a través del tiempo.
El control retroalimentado, es la forma más simple de aplicar un control en lazo cerrado. El problema en este tipo de
control, es que la corrección se hace después de que se presentó el problema y una cantidad del producto no lleva la calidad
deseada, ya que la corrección llega un tiempo después.
CONTROL ANTICIPATIVO (FEED FORWARD)
Objetivo: Sensar la perturbación de una variable, antes de afectar al proceso y tomar la acción correctiva para evitar un
efecto dañino al producto.
En los procesos que tienen tiempos muertos muy grandes, se presentan desviaciones en magnitud y frecuencia variables,
la señal de error se detecta un tiempo después de que se produjo el cambio en la carga y ha sido afectado el producto, y como
consecuencia la corrección actúa cuando ya no es necesario.
El problema anterior se resuelve aplicando al proceso esta técnica, que parte de la medición de una o varias señales de
entrada y actúan simultáneamente sobre la variable de entrada, produciendo la salida deseada sobre el proceso.
Aplicar esta técnica de control implica un conocimiento amplio, exacto y completo de las características estáticas y
dinámicas del proceso. La relación entre la variable de salida y la variable de entrada, constituye el modelo del proceso y es la
función de transferencia del sistema de control en adelanto.
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El controlador es quien debe responder a los cambios de las perturbaciones, pero como es lógico, su eficiencia depende
de la exactitud del captor y elementos de interfase de una o más variables de entrada y de la exactitud alcanzada en el modelo,
calculada en el proceso.
Cabe señalar que es costoso y algunas veces imposible determinar y duplicar el modelo exacto del proceso, por lo tanto,
siendo realmente un control en lazo abierto, su aplicación dará lugar a un offset significativo, es decir, se tendrá un error estático
permanente y a veces creciente.
El control anticipativo es capaz de seguir rápidamente los cambios dinámicos (estado transitorio), pero puede presentar
un error estático considerable. Por tal motivo, regularmente se aplica combinado con el control retroalimentado.
CONTROL EN CASCADA
Objetivo: Mejorar la estabilidad de una variable del proceso aun con una optima sintonización del controlador en lazo
retroalimentado.
La aplicación de esta técnica de control, es conveniente cuando la variable no puede mantenerse dentro del valor de set
point deseado, debido a las perturbaciones inherentes al proceso.
Para que un sistema de control en cascada esté bien aplicada es necesario que se tomen en cuenta algunos aspectos
importantes para su aplicación, estos son:
1. Localizar las variables mas importantes del proceso.
2. Localizar la variable básica a controlar.
3. Localizar la variable que introduce la inestabilidad.
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4. Determinar la velocidad de cambio de ambas señales.
5. Hacer un arreglo en cascada, de tal forma que el lazo mayor sea más lento y el controlador también (control maestro).
6. El lazo menor deberá contener la variable más rápida y el controlador debe ser de respuesta con retardos mínimos (control
esclavo).
7. La relación de la constante de tiempo: TM/TE = 5 ó mayor.
8. El controlador del lazo menor deberá sintonizarse con la ganancia más alta posible.
9. El controlador esclavo se selecciona con set point remoto, mientras que el controlador maestro es de tipo local.
Naturalmente que estas recomendaciones son, basándose en la experiencia que se tiene sobre la dinámica del proceso,
sobre el controlador y algo de sentido común.
CONTROL DE RELACION
Objetivo: Controlar el flujo o el volumen de una variable en función de otra.
Esta técnica de control, se aplica por lo general a dos cantidades de flujos, que deben mantener una relación prefijada por
el usuario.
Por lo general se tiene una línea de flujo de un fluido libre y sobre esta se mide la cantidad del fluido existente en
velocidad o volumen, este valor se envía a un controlador que contiene un factor multiplicador o un divisor, cuya señal actúa
sobre la válvula de control de otra línea con flujo proporcional al valor censado (flujo controlado).
El flujo libre se llama variable independiente y el flujo controlado se llama flujo dependiente.
Para este tipo de estrategia de control, es muy importante tomar las siguientes consideraciones:
1. Ambas señales deben tener las mismas unidades.
2. Ambas señales deben estar linealizadas o en forma cuadrática.
3. El rango de los controladores deben ser compatibles con las señales recibidas de un 0% a un 100%.
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4. Tomar en cuenta que en la medición de fluidos la linealidad se pierde en los extremos de la medición.
5. Las características de los fluidos deben ser muy similares.
MEDICION EN EL CONTROL AUTOMATICO
Instrumentos Activos - Pasivos.
Instrumento Activo
Un ejemplo es un indicador de nivel de un tanque como se muestra en la figura.
El cambio de nivel en el tanque mueve el brazo de un potenciómetro y la señal de salida consiste en una proporción
de la fuente de voltaje externo aplicado en las terminales del potenciómetro.
Instrumento Pasivo
En este ejemplo es un dispositivo de medición de presión, la presión del fluido se traduce en movimiento de un
apuntador contra una escala. La energía gastada moviendo el apuntador es derivada del cambio de presión medida, no hay
otras entradas de energía al sistema.
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Exactitud y Presión.
Exactitud
Exactitud es la extensión en la cual la lectura puede ser incorrecta y generalmente se representa como un porcentaje
de la escala completa de lectura de un instrumento.
Precisión
Precisión es un termino que describe el grado de libertad de un instrumento de alta precisión, entonces la dispersión
de las lecturas será muy pequeña.
ACCION DE CONTROL DIRECTA E INVERSA
Directa
La acción directa se considera cuando a punto de ajuste constante, si la variable aumenta, la salida aumenta.
Inversa
Se considera cuando a punto de ajuste constante si la variable aumenta la salida disminuye.
Alcance (SPAN)
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Diferencia algebraica entre los 2 valores alto y bajo de rango.
Autorregulación
Característica inherente del proceso la cual lleva a una condición de equilibrio sin la intervención de un control automático.
Banda Proporcional
La gama de valores a través de los cuales la variable controlada debe cambiar para causar que el elemento final de control
se mueve de un extremo a otro.
Cavitación
Las cavidades de vapor no pueden existir con una presión aumentada y son forzadas a un colapso o implosión que produce
ruido, vibración, daño físico.
Circuito de Control
Es un sistema dentro del cual un cierto valor en magnitud debe ser mantenido dentro de limites, preestablecidos. Un circuito
de control automático (LOOP) puede ser manual o automático.
Constante de Tiempo
Tiempo transcurrido para alcanzar el 63.2% de un cambio cuando tenemos la estabilidad en la medición.
Controlador Automático
En un mecanismo que mide el valor de una cantidad o condición variable y opera para mantenerla dentro de sus limites.
Posiciones
Acción del controlador en el cual el elemento final de control es movido de una de las posiciones fijas a la otra a valores
determinadas de la variable controlada.
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Efecto Peltier
Cuando una corriente eléctrica es pasada por a través de dos metales diferentes, en un sentido el calor es absorbido
y la unión enfriada y en el sentido opuesto el calor es liberado este efecto es reversible, es decir, si la unión se calienta o
enfría se genera una fem. en uno u otro sentido.
Efecto Thompson
En un metal homogéneo se absorbe calor cuando una corriente eléctrica fluye en un sentido y se libera calor cuando
fluye en sentido contrario. Este efecto es reversible de modo que se genera una fem. en uno u otro sentido si hay un
gradiente de temperatura en un metal homogéneo.
Elemento Final de Control
Es la parte del circuito de control tal como una válvula de diafragma, motor de palanca o calentador eléctrico, los
cuales directamente varían al agente de control; dispositivo que directamente cambia el valor de la variable manipulada de
un circuito de control.
Elemento Primario
La parte de un circuito de control o instrumento que detecta primero el valor de una variable de proceso, que asume
una condición predeterminada y una salida. El elemento primario puede ser separado o integrado con otro elemento
funcional del circuito de control. El elemento primario es también conocido como un detector o sensor.
Instrumentos Analógicos y Digitales
Un instrumento analógico proporciona una salida que varia continuamente conforme cambia la cantidad que se esta
midiendo.
La salida puede tener un numero infinito de valores dentro del rango de medición para el cual el instrumento fue diseñado,
por ejemplo en un manómetro de carátula, conforme el valor de entrada, cambia el apuntador se mueve con un movimiento
continuo suave. Mientras que el apuntador puede estar en un numero infinito de posiciones dentro de su rango de
movimiento el numero de diferentes posiciones que el ojo humano puede discriminar es muy limitado depende de las
dimensiones de la escala y de sus divisiones.
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Un instrumento digital tiene una salida que varia en pasos discretos y por lo tanto solo puede tener un numero finito
de valores. Un contador de revoluciones es un ejemplo de un instrumento digital. En este caso se coloca una leva al cuerpo
cuyo movimiento esta siento medido por cada revolución que cumple, la leva abre o cierra un interruptor, las operaciones de
cerrado son contadas por medio de un contador electrónico. El sistema solo puede contar revoluciones completas y por lo
tanto no registra cualquier movimiento que no complete una revolución.
Un instrumento digital es ventajoso por que puede interfasarse directamente a una computadora de control.
Elementos Primarios de Medición
Es aquel que detecta el valor de salida o sea es la porción de los medios de medición que primero utiliza o transforma
la energía del medio controlado.
Los elementos primarios de medición mas comunes son:
Temperatura Termómetros bimetálicos. Termómetros de vástago de vidrio. Pirómetros de radiación ópticos.
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Pirómetros de radiación infrarrojos. Indicadores pirometricos. Termómetros de cristal de cuarzo. Sistemas termales. Termopares. Resistencias eléctricas
Presión Tubo Bourdon. Columnas. Sensores electrónicos. Diafragmas. Fuelles. Cápsulas. Campanas
Flujo Tubo pitot. Magnético. Turbina. Bomba dosificadora. Tubo venturi. Derramadores Tubo de Dali. Tubo de Gentile. Rotámetro. Annubar. Placa de orificio. Tarjet Remolino Vortex, etc.
ACCION DE UN SISTEMA DE CONTROL
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Directa
Cuando al aumentar la variable la válvula debe cerrar.
Inversa
Cuando al aumentar la variable la válvula debe abrir.
Sistemas Abiertos
Son aquellos que no verifican o rectifican la salida del proceso, esto se refiere a que en estos tipos de sistemas
únicamente van a controlar las diferentes variables antes del proceso o durante si.
Sistemas Cerrados
Son aquellos sistemas en donde el aparato de control verifican la salida del proceso. Para este tipo de sistemas se
tiene mas control sobre el proceso.
Los sistemas cerrados se clasifican en 2 tipos:
Sistemas Cerrados de Prealimentación.-
Son aquellos sistemas donde el elemento primario de medición ( este puede ser un termómetro o algún otro aparato)
se encuentra instalado antes de entrar al proceso y el medio que estamos controlando.
Sistemas Cerrados de Retroalimentación.-
Son aquellos sistemas en donde el elemento primario de medición, se encuentra en la salida del proceso y el medio
que se esta controlando.
Una combinación de ambos se conoce como mixto.
La figura 2 es un sistema de control cerrado de prealimentación; por que mide la variable antes de entrar al proceso y
modifica al agente de control para que la variable controlada adquiera el valor deseado. La figura 3, sistema cerrado de
retroalimentación. Con la variable controlada (temperatura) medida en la salida del proceso.
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1. Proceso / Punto de ajuste.
2. Variable controlada
3. Elementos primarios de medición.
4. Medio de medición.
5. Transmisor.
6. Señal de medición.
7. Controlador.
Punto de ajuste.
Señal controlada.
Elemento final de control.
Agente de control.
Variable manipulada
Proceso
El o los equipos en los cuales la variable controlada va a ser contenida dentro de ciertos valores predeterminados.
Variable de Proceso
Una cantidad o condición física o química se varia en función del tiempo.
Variable Controlada
Es una variable de proceso que es medida y/o controlada por un sistema de control.
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Fluido de Medición
Un fluido o energía que lleva la señal producida en el elemento primario o un receptor, que puede ser un indicador, un
registrador, un transmisor, etc.
Transmisor
Un dispositivo que detecta la variable controlada a través de un elemento de estado estable varia como una función
predeterminada de la variable controlada.
Señal de Medición.
Señal producida en un transmisor 5 elementos primarios y que es medida en forma de presión, corriente, voltaje o
energía electromagnética.
Controlador Automático
Un dispositivo que mide el valor de una cantidad o condición variable y opera para mantenerla dentro de sus limites.
Punto de Ajuste
Es el valor de la variable controlada que se desea mantener y es ajustado mecánicamente o por otro medio.
Señal Controlada
También llamada salida del controlador, es una magnitud en presión, corriente o voltaje, obtenida como resultado de
una operación en el controlador.
Elemento final de control.
Es la parte del circuito de control que directamente varia al agente de control.
Agente de Control.
Material o energía del proceso que afecta el valor de la variable controlada y su cantidad es regulada por el elemento
final de control.
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Variable Manipulada
Variable del agente de control que se opera por el elemento final de control y directamente cambia la energía del
proceso.
Transductor
Es un dispositivo que convierte un tipo de energía a otra o una carga o movimiento.
En la figura 4 se muestra el circuito para controlar el flujo de una solución química (mezcla) el sistema cuenta con un
controlador de flujo magnético.
Lo que se quiere mantener constante y puede ser la alcalinidad o acidez de la solución medidas por su PH, al variar el
potencial de la solución el transmisor de flujo magnético que posee mecanismos de control, a su vez, por medio de una señal
neumática acciona una válvula que puede regular o cerrar el paso de la solución a la tubería de la alimentación.
Se muestra un circuito de control sencillo; su funcionamiento es el siguiente, al llegar el fluido al nivel preestablecido,
el flotador sube y envía una señal mecánica al controlador neumático que envía una señal neumática a la válvula de entrada
al tanque que cierra la alimentación.
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El circuito de control se utilizado para controlar la temperatura de un fluido que es calentado por medio de un flujo de
vapor, cuando la temperatura varia con relación a un valor ya fijado, un elemento sensor de temperatura envía una señal al
controlador del sector, que a su vez por medio de una señal neumática cierra la llave o válvula de alimentación de vapor.
Error
Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de variable medida.
Error Angular o de Linealidad
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Aparece en el centro de la gama cuando las lecturas son ciertas al principio y al final de la escala.
Error Dinámico
Diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el valor leído por el instrumento y es afectado por las
condiciones dinámicas del proceso.
Error de Multiplicación
Se presenta cuando incrementa o disminuye a lo largo de la escala.
Error Estático
Error obtenido cuando el proceso esta en régimen permanente y la variable medida no cambia su valor.
Error Lineal o de Cero
Es constante a lo largo de la escala.
Errores de Medición
Se tienen 2 familias de errores
1. Propios del sistema.
2. Por patrones falsos
3. Los instrumentos de medición generalmente garantizan el 1% de precisión, cuando se requiere mayor precisión implica
mayor costo, hay cuidar que el patrón cumpla con los requerimientos.
Hay 2 o 3 tipos de fuentes
Ruidos de Medición Interno.
Se pueden meter a nivel de elemento primario (termopar), en la transmisión es donde se introduce ruido ya que por ejemplo,
el termopar mide bien pero en la transmisión se introducen ruidos que afectan la medición.
a. En elementos primarios.
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b. En todo lazo de comunicación.
c. EN elementos receptores (es donde existen mas errores)
Los errores mas comunes son de interpretación y observación que son: paralaje, interpolación, conocimientos del operador
Ruidos Exteriores
Se deben a perturbaciones del medio ambiente (ondas de radio, efectos electromagnéticos). Todos los cables de
instrumentación son blindados y torcidos para reducir la influencia externa al mínimo en las cajas de conexión se tienen
problemas de mala conexión a tierra.
Tiempo de Respuesta
La mayoría de los instrumentos de medición están calibrados para que trabajen como sistemas de 2° orden critico
(sistema electromecánico), la constante de tiempo del sistema, la mayoría de las variables físicas se calibran para tiempo
critico pero aun así tienen atraso.
Termistores
Los resistores térmicos son dispositivos que se diseñan usualmente de manera que su resistencia disminuya cuando
aumenta la temperatura, se fabrican compuestos llamados óxidos los cuales son combinaciones de oxigeno y metales, como
magnético, níquel, cobalto. Los termistores se presentan en varias formas:
Arandela
Perla
Disco
Cilíndrico
Puesto que la resistencia de un termistor cambia con la temperatura, funciona como un resistor controlado por el calor y
por ellos mismo puede emplearse como un sensor de calor, este es un dispositivo que convierte los cambio de temperatura
en cambios correspondientes del valor de la corriente en un circuito.
Un ejemplo de un circuito tal que se utiliza para mediciones de temperatura, se muestra a continuación.
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El termistor, se conecta en serie con una pila seca ordinaria y con un amperímetro, cuando cambia la temperatura
alrededor del termistor, cambia también el valor de la corriente, la escala del medidor puede calibrarse o dividirse en grados
de manera que pueda realizarse una lectura de temperatura.
Termopar
Es un dispositivo de estado salida que se utiliza para convertir la energía térmica en voltaje, consiste de 2 metales
diferentes tipo empalmados en una juntura.
Cuando esta se calienta los electrones en uno de los metales ganan suficiente energía y se vuelven electrones libres,
dichos electrones posteriormente se mueven a través de juntura de dicho metal, este movimiento genera un voltaje entre las
terminales del termopar, varias combinaciones de metal se utilizan para fabricas los termopares.
Ley de los Metales Intermedios
La suma algebraica de las fem's termales en un circuito de un numero cualquiera de diferentes metales es cero, si
todo el circuito estuviera a la misma temperatura.
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Consideraciones sobre termopares desarrollados recientemente
Molibdeno - Renio
Este tipo de termopares se recomiendan para temperaturas máximas de 1650°C con aisladores y tubos de protección
de oxido de aluminio, se recomiendan su uso únicamente en atmósferas fuertes reductoras o vacías, debido a que el oxigeno
libre destruye al termopar, en la actualidad se usa en reactores químicos, tratamiento térmico y hornos al vacío.
Tungsteno - Renio
Este tipo de termopares se recomiendan para temperaturas máximas de 2200°C usándolo con tubos protectores y
aisladores de oxido de berilio. Se recomienda para atmósferas inertes reductoras o vacío ya que el oxigeno libre destruye al
termopar. No deberá estar sujeto nunca a choques térmicos o vibraciones, es importante hacer notar que el polvo de oxido
de berilio es sumamente tóxico cuando se inhala aun en pequeñas cantidades.
Iridio - Iridio Radio
Su máxima temperatura recomendada es de 1000°C y con aisladores de oxido de berilio, se recomienda usarlos en
atmósferas oxidantes aun conteniendo azufre libre. Puede tolerar pequeñas cantidades de hidrogeno si la atmósfera es
esencialmente oxidante.
PROCEDIMIENTOS DE CALIBRACION
Cuando el instrumento se calibra contra un instrumento de referencia, su exactitud mostrara estar fuera o dentro de
los límites de exactitud, si el instrumento esta dentro del límite de medición, el único curso de acción requerido es registrar
los resultados de calibración en la hoja de control del instrumento y ponerlo en funcionamiento hasta el siguiente periodo de
calibración.
Documentación de los sistemas de medición y su calibración
Todos los sistemas de medición y calibración implementados deben estar documentados, en el caso de pequeñas
compañías toda información relevante debo estar contenida dentro de un manual, mientras que una empresa grande
generalmente es apropiado tener volúmenes separados cubriendo procedimientos corporativos y divisionales.
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Registro de los Instrumentos
Se debe tener un registro separado para cada instrumento del sistema donde se especifique como mínimo.
Su número de serie.
El nombre de la persona responsable para su calibración.
La frecuencia de calibración requerida.
La fecha de la última calibración.
Resultados de la calibración.
Estos documentos deben estar en el mismo manual del instrumento
Transmisores
Son dispositivos diseñados para enviar señales proporcionales a las variables que están midiendo, internacionalmente
se han escogido ciertas gamas para este objeto y son:
Gamas Eléctricas
1 a 5 mA
4 a 20 mA
10 a 50 mA
Gamas Neumáticas
3 a 15 lb/plg2 (0.21 a 0.5 Kg/cm2)
3 a 30 lb/plg2 (0.21 a 2.1 Kg/cm2)
La razón de estandardizar las gamas de las señales de salida de los transmisores es poder interconectar instrumentos
de diversas marcas y uniformizar los receptores, esto permite a los receptores recibir señales de cualquier variable, sin
importar la gama de esas variables puesto que todos los transmisores tienen salidas comunes.
Los transmisores neumáticos constituidos de 3 partes principales
1. Elemento de medición.
2. Amplificador (RELIGHT).
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3. Fuelle de retroalimentación.
1° Letra 2° Letra
Variable medida(3) Letra de Modificación Función de lectura pasiva Función de Salida Letra de Modificación
A. Análisis (4) Alarma
B.Llama (quemador) Libre (1) Libre (1) Libre (1)
C. Conductividad Control
D.Densidad o Peso especifico Diferencial (3)
E. Tensión (Fem.) Elemento Primario
F. Caudal Relación (3)
G. Calibre Vidrio (8)
H. Manual Alto (6)(13)(14)
I. Corriente Eléctrica Indicación o indicador (9)
J. Potencia Exploración (6)
K. Tiempo Estación de Control
L. Nivel Luz Piloto (10) Bajo (6)(13)(14)
M. Humedad Medio o intermedio (6)(13)
N. Libre(1) Libre Libre Libre
O. Libre(1) Orificio
P. Presión o vacío Punto de prueba
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Q. Cantidad Integración (3)
R. Radiactividad Registro
S. Velocidad o frecuencia Seguridad (7) Interruptor
T. Temperatura Transmisión o transmisor
U. Multivariable (5) Multifunción (11) Multifunción (11) Multifunción (11)
V. Viscosidad Válvula
W. Peso o Fuerza Vaina
X. Sin clasificar (2) Sin clasificar Sin clasificar Sin clasificar
Y. Libre(1) Relé o compensador (12)
Sin clasificar
Z. Posición Elemento final de control sin clasificar
Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto
letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la
letra N puede representar como primera letra el modelo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio.
La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilizan solo una vez o un número
limitado de veces. Se recomienda que su significado figura en el exterior del círculo de identificación del instrumento.
Ejemplo XR-3 Registrador de Vibración.
Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (interpretación) o
cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por
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ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura,
respectivamente.
La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que no están cubiertos por una letra
libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso.
El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera letra, es opcional.
El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es preferible pero
opcional.
El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra
condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). Por este motivo, una válvula autorreguladora de
presión que regula la presión de salida de un sistema mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe se PCV,
pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de emergencia, se designa PSV. La designación PSV se
aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en
cuenta las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad,
válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio.
La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporciona una visión directa no calibrada del
proceso.
La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso, No se aplica a la escala de ajuste manual de
la variable si no hay indicación de ésta.
Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva
I. Por ejemplo, una luz piloto que indica un periodo de tiempo terminado se designara KI. Sin embargo, si se desea
identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma o bien
alternativamente por una letra única I. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor eléctrico puede
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identificarse. EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensión, o bien XL. Suponiendo que la luz es
excitada por los contactos eléctricos auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L.
El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras es opcional.
Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del
instrumento cuando sea conveniente hacerlo así.
Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal
a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor
de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor
bajo.
Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como
sigue:
Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa.
Bajo: Denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada.
Figuran a continuación los símbolos a emplear en los planos y dibujos de representación de instrumentos en los procesos
industriales.
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*Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación (o bien purga de fluidos)
AS Alimentación de aire.
ES Alimentación Eléctrica.
GS Alimentación de gas.
HS Alimentación hidráulica.
NS Alimentación de nitrógeno.
SS Alimentación de vapor.
WS Alimentación de agua.
**El símbolo también se aplica también a cualquier señal que emplee gas como medio de transmisión. Si se emplea un gas
distinto del aire debe identificarse con una nota al lado del símbolo o bien de otro modo.
*** Los fenómenos electromagnéticos incluyen calor, ondas de radio, radiación nuclear y luz.
MEDICION DE TEMPERATURA
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Temperatura
Es el grado relativo de calor o frío que tiene un cuerpo
Diferentes efectos producidos por la temperatura
1. Aumento de las dimensiones (Dilatación).
2. Aumento de presión o volumen constante.
3. Cambio de fem. inducida.
4. Aumento de la resistencia.
5. Aumento en radiación superficial.
6. Cambio de temperatura.
7. Cambio de estado sólido a líquido.
8. Cambio de calor
Observando cada una de las propiedades en los materiales podemos medir la temperatura observando los efectos de los
cuerpos.
Todos los instrumentos de medición de temperatura cualquiera que fuese su naturaleza dan la misma lectura en cero por
ciento (0%) y 100%, si se calibra adecuadamente, pero en otros puntos generalmente la lectura no corresponderá porque las
propiedades de expansión de los líquidos varían, en este caso se hace una elección arbitraria y, para muchos fines será
totalmente satisfactoria, sin embargo es posible definir una escala de temperatura de un gas ideal como base suprema de
todo trabajo científico.
Las unidades de temperatura son °C, °F, °K, °Rankine, °Reamur, la conversión más común es de °C a °F.
t (°C)=t (°F)-32/1.8
°F=1.8 t°C +32
Relación entre escalas de temperatura
Unidades de Temperatura
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Escala Cero Absoluto Fusión del Hielo Evaporación
Kelvin
Rankine
Reamur
Centígrada
Fahrenheit
0°K
0°R
-218.5°Re
-273.2°C
-459.7°F
273.2°K
491.7°R
0°Re
0°C
32°F
373.2°K
671.7°R
80.0°Re
100.0°C
212.0°F
Los elementos primarios de medición y temperatura, son transductores que convierten la energía térmica en otra o
en un movimiento.
La diferencia ente el calor y temperatura, es que el calor es una forma de energía y la temperatura es el nivel o valor
de esa energía.
Se han dividido los elementos primarios de medición de temperatura en 3 tipos:
a. TERMOMETROS.- Transductores que convierten la temperatura en movimiento.
b. SISTEMAS TERMALES.- Transductores que convierten la temperatura en presión (y después en movimiento).
c. TERMOELECTRICOS.- Transductores que convierten la temperatura en energía eléctrica (y mediante un circuito en
movimiento)
Termómetros a. De Alcohol
b. De Mercurio
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c. Bimetálico
Elementos Primarios de
medición de temperatura
Sistemas Termales a. Liquido (Clase I)
b. Vapor (Clase II)
c. Gas (Clase III)
d. Mercurio (Clase IV)
Termoeléctricos a. Termopar
b. Resistencia
c. Radiación
d. Óptico
Termómetros
Son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los cuerpos, su funcionamiento se basa en la
propiedad que tienen algunas sustancias de variar su volumen con la temperatura, pueden usarse en ellos sustancias
sólidas, liquidas o gaseosas como termométricas, con la única exigencia que la variación de volumen sea en el mismo
sentido de la temperatura.
El termómetro de líquido en vidrio es uno de los tipos más comunes de dispositivos de medición de temperatura y sus
detalles de construcción, se muestra en la figura siguiente.
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Su bulbo relativamente grande en la parte mas baja del termómetro contiene la mayor cantidad del liquido el cual se expande cuando se caliente y sube por el tubo capilar en el cual esta grabada una escala apropiada con marcas, en la parte superior del tubo capilar se coloca en case de que el margen de temperatura del termómetro se exceda de manera inadvertida. Los líquidos mas usados son el alcohol y el mercurio. El alcohol tiene la ventaja de poseer un coeficiente de expansión más alto que el del mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura debido a que tiende a hervir a temperaturas altas. El mercurio no puede usarse debajo de su punto de congelación de -38.78°F (-37.8°C). El tamaño del capilar depende del tamaño del bulbo sensor, el líquido y los márgenes de temperatura deseados para los termómetros. Por lo general, los termómetros de mercurio en vidrio se aplican hasta 600°F (315°C); pero su alcance puede extenderse a 1000°F (338°C) llenando el espacio sobre el mercurio común gas como el nitrógeno. Esto aumenta la presión en el mercurio, eleva su punto de ebullición y permite; por lo tanto, el uso de termómetro a temperaturas mas altas.
Un método muy usado para medir la temperatura, es la cinta bimetálica se conectan juntos 2 piezas de metal con
diferentes coeficientes de expansión térmica para formar el dispositivo mostrado en la figura siguiente.
Cuando la cinta se somete a cualquier temperatura mas alta a la temperatura a la cual se hizo la liga se doblara en
una dirección: cuando se somete a una temperatura inferior, se dobla al otro lado. EZKIN y FRITZE dieron métodos de cálculo
par las cintas bimetálicas. El radio de curvatura puede calcularse como:
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t = espesor combinado de la cinta ligada.
m = razón de espesores de los materiales de baja a alta expansión.
n = razón del modulo de elasticidad de los materiales de baja a alta expansión.
1 =coeficiente mas bajo de expansión.
2 =coeficiente mas alto de expansión.
T = temperatura
To = temperatura inicial de la ligadura.
Los coeficientes de expansión térmica de algunos materiales usados están en la siguiente tabla.
Material Coeficiente de
expansión
térmica x °C
Modulo de
elasticidad PSI
lb/plg2
GN/m2
Invar
Latón amarillo
Monel -400
Inconel -702
Acero inox. -3/6
1.7x10-6
2.02x10-5
1.35x10-5
1.25x10-5
1.6x10-5
21.4x106
14x106
26x106
31.5x106
28x106
147
96.5
179
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CARACTERISTICAS DE LOS TERMOPARES MENCIONADOS
Los 6 termopares más frecuentemente usados en la práctica son:
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Positivo Tipo Negativo
CobreHierroCromelCromel
Platino +13% RadioPlatino +10% Radio
TJEKRS
ConstantánConstantánConstantán
AlumelPlatinoPlatino
La clasificación por tipos ha sido elaborada por la SAMA y adoptada por la ISA.
Cobre - Constantán (T)
Se utiliza para medir temperaturas entre los -18.5°C a 379°C y son de un precio bajo y ofrecen resistencia a la corrosión en atmósferas húmedas. Pueden ser usados en atmósferas reductoras y oxidantes.Hierro - Constantán (J)
Se aplican normalmente para temperaturas, que van de -15°C a 750°C, dependiendo de su calibre. Son recomendables para usarse en atmósferas donde existe deficiencia de oxigeno libre. Son recomendables ampliamente en atmósferas reductoras. Como tienen un precio relativamente bajo son muy ampliamente usados para la medición de temperaturas dentro de su rango recomendado.Cromel - Constantán (E)
Se emplean primordialmente en atmósferas oxidantes.
Cromel - Alumel (K)El rango de temperatura recomendado es desde los 280°C a 580°C de acuerdo con el calibre del alambre usado. Este
tipo de termopares presta un servicio óptimo en atmósferas oxidantes aunque también se puede usar en atmósferas reductoras o alternativamente oxidantes o reductoras o siempre y cuando se use un tubo de protección apropiado y ventilado.Platino - Radio (R y S)
Si se cuenta con una protección adecuada sirven para la medición de temperaturas hasta de 1650°C en atmósferas oxidantes. Estos termopares se contaminan con facilidad cuando se usan en cualquier otra atmósfera por lo que deben ser tomadas algunas precauciones en el caso de usarse en estas condiciones, mediante tubos de protección adecuados. Los vapores metálicos, el hidrogeno y los silicones son veneno para este tipo de termopares.Sus precios, comparando con los demás termopares discutidos son mas altos y si fem. Pequeños por lo que la aplicación de este tipo de termopares esta restringida a altas temperaturas.Tungsteno - Tungsteno y Renio
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Este tipo de termopares es recomendado para la misma temperatura, que los de tungsteno - renio. La diferencia esta
en que provee 3 veces potencia termoeléctrica 1650°C.
Calibración de Termopar
Frecuentemente se tiene que seleccionar un determinado tipo de termopar que seleccionar un determinado tipo de
termopar de acuerdo con las necesidades de medición y control de temperatura. La selección, por supuesto, esta basada en
varios factores, tales como el rango de temperatura de operación, exactitud requerida, respuesta térmica elevada de fem. Y
el medio ambiente en que el termopar va a ser instalado.
LIMITE DE TEMPERATURAS PARA TERMOPAR
Tipo de Termopar Temperatura Temperatura Máxima
Mínima CAL CAL CAL CAL CAL
Tipo T, Cobre - Constantán
Tipo J, Fierro - Constantán
Tipo E, Cromel - Constantán
Tipo K, Cromel- Alumel
Tipo R y S, Platino - Platino 13% o 10% Radio
Platino 30% (Radio 6% - Platino)
Iridio 40%, 60% Radio - Iridio
Tungsteno - Renio
Tungsteno - Tungsteno (26% Renio)
-185
-17
-185
-17
-17
-17
-17
-17
-17
760
870
1260
590
650
1100
260
480
535
980
205
370
425
870
1480
1760
1980
2200
2310
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Cables de Extensión
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El cable de extensión esta constituido generalmente de 2 conductores y esta provisto con una clase de aislante de
acuerdo con las condiciones de servicio particulares. Evidentemente en lugar de los cables de extensión que podrían usar los
mismos alambres de los cuales consisten los termopares, sin embargo, no seria económico hacerlo ya que por ejemplo:
En el caso de los termopares platino - platino radio el costo de los mismos es elevado por lo cual se usan otros
metales para construir los cables de extensión que tienen propiedades termoeléctricas iguales o semejantes al de los
termopares originales su objetivo; es extender el termopar hasta la junta de referencia del instrumento.
Tipo de Termopar Cable de Extensión
Positivo Negativo
J JX Cobre Constantán
T TX Hierro Constantán
KX Cromel Alumel
K VX Cobre Constantán
WX Hierro
R, S SX Cobre Aleación especial de Cobre - Níquel
Tipo de
Termopar
Cable de
extensión
Polo Polo Envoltura
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Positivo Sensitivo Exterior
T TX AZUL ROJO AZUL
J JX BLANCO ROJO NEGRO
F FX AMARILLO ROJO AMARILLO
K KX CAFÉ ROJO ROJO
W WX VERDE ROJO BLANCO
R, S SX NEGRO ROJO VERDE
Pirómetros de Radiación
Hasta ahora se ha visto instrumentos que miden la temperatura por calentamiento directo el elemento medidor, los
pirómetros de radiación no necesitan estar en contacto íntimo con el objeto caliente, el instrumento propiamente dicho es
igual al potenciómetro al balance continuo, pero en vez de termopar se usa una termopila. Este aparato utiliza la ley de
Stephan Voltzmann de energía radiante lo cual establece que la superficie de un cuerpo es proporcional a la 4ta potencia de
su temperatura absoluta:
QB=KT4
QB = Energía emitida por un cuerpo
T= Temperatura absoluta (°K)
K= Constante de Stephan Voltzmann = 4.92x10 Kcal/m2
Aprovechando esta ley, se construyo un aparato que consta de una lente que recoge radiante y la conserva sobre una
termopila colocada en el foco de la lente (cóncava); generando así una fem. Que es medida con un potenciómetro de
balance continuo.
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Este tipo de aparatos es muy usual en hornos y en la industria metalúrgica donde se mueven lingotes, placas o biletes
a temperaturas elevadas la termopila es un grupo de pequeños termopares conectados en serie, cuyas juntas calientes son
aplastadas y ennegrecidas, colocadas casi juntas en el centro de un disco como se muestra en la figura.
Para compensar los efectos de la variación de temperatura en la termopila, se agrega una resistencia de níquel en
paralelo a la salida la cual aumenta o disminuye la fem. Producida, compensando dicha variación.
Pirómetro Óptico
Cuando la energía radiante es a la vez luminosa, como sucede con las flamas y los metales fundidos se utiliza un
pirómetro óptico, cuyo principio se basa en la variación de la resistencia de una fotocelda al variar la intensidad de la luz a la
que esta expuesta.
Este instrumento tiene 2 Foto celdas conectadas en un circuito electrónico y el galvanómetro es sustituido por un
bulbo.
Una fotocelda es expuesta al cuerpo caliente y la otra a una fuente luminosa, normalmente una lámpara de filamento
de carbón. Al recibir la primera fotocelda el choque de la luz cambia su resistencia de acuerdo a la intensidad de dicha luz
variando la corriente de placa del bulbo, Esto hace que aumente o disminuya la corriente de la lámpara que ilumina la
segunda fotocelda, llevándola inmediatamente en equilibrio con la fotocelda expuesta al objeto caliente.
Normalmente se usan filtros para disminuir los efectos de los gases o vapores interpuestos entre el objeto caliente y
el instrumento.
Aprovechando esta ley, se construyo un aparato que consta de una lente que recoge radiante y la conserva sobre una
termopila colocad en el foco de la lente; (cóncava) generando así una fem. Que es medida con un potenciómetro de balance
continuo.
Este tipo de aparatos es muy usual en hornos y en la industria metalúrgica donde se mueven lingotes, placas o biletes
a temperaturas elevadas, la termopila es un grupo de pequeños termopares conectados en serie, cuyo juntas calientes son
aplastadas y ennegrecidas, colocadas casi juntas en el centro de un disco como se muestra en la siguiente figura.
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Para compensar los efectos de la variación de temperatura en la termopila, se agrega una resistencia de níquel en
paralelo a la salida la cual aumenta o disminuye la fem. Producida, compensando dicha variación.
Termopozo
Es muy importante que el termopar no toque la pared del termopozo.
CRITERIOS QUE SE DEBEN TOMAR PARA LA ELECCION DEL TERMOPOSO
Que sea resistente a la temperatura.
Acción de gases oxidantes y reductores.
Que contengan una conductividad térmica muy alta para hacer una transferencia de energía rápida.
Resistente a los cambios bruscos de temperatura.
Resistente a los esfuerzos mecánicos.
Resistente a la corrosión de vapores ácidos.
MATERIAL DE TERMOPOSOS
Hierro Fundido - Dulce y Acero
Es de reemplazo económico, no justifica la compra de otro. No es muy bueno para atmósferas oxido - reductoras.
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Hierro - Cromo
Resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, también se puede usar con ambiente con azufre.
Hierro Cromo - Níquel
Es muy resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, no acepta al azufre.
Acero Inoxidable 304-316
Resistente a la corrosión química, a altas temperaturas y ambiente con amoniaco.
Existen termopozos de vidrio cuando no se aceptan aceros inoxidables, se pueden recubrir con PVC, Tantalio para
resistir la corrosión y otros factores.
El vidrio se emplea en atmósferas de benceno, amoniaco, etc.
Escalas de
temperatura
aplicables
Exactitud
aproximada
Respuesta
Dispositivo °F °C °F °C transitorios Costo Notas
Termómetro de liquido
en vidrio
a. Alcohol -90 a
150
-70 a 65 1 0.5 Mala Bajo Usados como
termómetros baratos
para temperaturas bajas.
b. Mercurio -35 a
600
-40 a
300
0.5 0.25 Mala Variable Exactitud de 0.1°F
(0.05°C que puede
obtenerse con
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termómetros calibrados
especialmente.
c. Mercurio lleno con
gas
-35 a
1000
-40 a
550
0.5 0.25 Mala Variable Exactitud de 0.1°F
(0.05°C que puede
obtenerse con
termómetros calibrados
especialmente.
Termómetro de
expansión de fluido
a. Liquido o gas -150 a
1000
-100 a
550
2 1 Mala Bajo Ampliamente usados en
las mediciones
industriales de
temperatura.
b. Presión de vapor 20 a 400 -4 a 200 2 1 Mala Bajo
Cinta bimetálica -100 a
1000
-70 a
550
0.5 0.25 Mala Bajo Ampliamente usados
como dispositivos
simples de medición de
temperatura
Termómetro de
resistencia eléctrica
-300 a
1800
-180 a
1000
0.005
0.0025
De regular a
bueno
Caro El mas exacto de todos
los métodos
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Termistor -100 a
500
-70 a
250
0.02 0.01 Muy bueno Bajo Útil para los circuitos
compensadores de
temperatura; las cuentas
termistores pueden
obtenerse en tamaños
muy pequeños.
Termopar
Cobre - Constantán
-300 a
650
-180 a
350
0.5 0.25 Buena Bajo
Termopar
Hierro - Constantán
-300 a
1200
-180 a
650
0.5 0.25 Buena Bajo Superior en atmósferas
reductoras
Termopar
Cromel - Alumel
-300 a
2200
-180 a
1200
0.5 0.25 Buena Bajo Resistente a la oxidación
a temperaturas altas
Termopar
Platino - Platino con
10% de sodio
0 a 3000 -15 a
1650
0.5 0.25 Buena Alto Salida baja; el mas
resistente a la oxidación
a temperaturas altas
Pirómetro óptico 1200
más
650 más 20 10 Mala Medio Ampliamente usado en
medición de
temperaturas en hornos
industriales.
Pirómetros de radiación 0 más -15 más 0.5 °C
bajos
Buena Medio a Aplicaciones en aumento
como resultado de los
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alcances, 2.5
a 10°C a alta
alto nuevos dispositivos de
alta precisión que están
en continuo desarrollo
FlujoEntre los medidores llamados diferenciales encontramos clasificados a los medidores diferenciales de presión.
Entendiéndose por medidor diferencial aquel, de cuyos principios de medición se infiere (de ahí el nombre) el resultado final.
El medidor diferencial de presión se identifica, por la característica de su elemento primario, crea una diferencia o
caída de presión que depende de la velocidad y densidad del fluido. Esta diferencia es medida por un segundo elemento,
llamado secundario.
Muy diversos tipos de elementos primarios han sido usados para producir la diferencia de presión, pero los más comunes.
a. La placa de orificio.
b. La boquilla o tobera.
c. Tubo venturi.
d. Tubo Pitot.
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Medidores de Área Fija
Estos medidores están basados en la perdida de presión de fluido al pasar por un estrechamiento. Su velocidad
disminuye mientras el fluido pasa por el medidor, es recuperado parcialmente cuando la tubería recupera también su
diámetro original.
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Medidores de Área Variable
El ejemplo mas representativo de este medidor es el rotámetro, El rotámetro es un instrumento de medición de
fluidos al estado liquido o gaseoso. Consta principalmente de un tubo graduado de sección cónica. Dentro del tubo se
encuentra el elemento de medición denominado flotador el cual genera una caída de presión constante al paso del liquido
entre la pared del tubo y el diámetro del flotador. La posición de este medidor debe ser vertical y con el flujo hacia arriba.
MEDIDORES ELECTRICOS Y MAGNETICOS
Dentro de este grupo de medidores tenemos los siguientes:
Medidor de Turbina.
Medidores Magnéticos.
Swirl Meter etc.
Medidores de Canal Abierto
Este tipo de medidores son utilizados cuando se tienen flujos o gustos grandes o cuando se tienen fluidos sucios.
Constan principalmente de una sección de retención o estrangulamiento del fluido que puede ser un desnivel o un corte del
canal.
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Medición de Gasto
Existe una gran variedad de métodos para la medición de gastos de fluidos (líquidos y gases) a través de tuberías.
El medidor de presión diferencial se basa en el hecho de que cualquier restricción al paso del fluido causa una caída
de presión. Esa caída de presión esta relacionada con el gasto normalmente, el gasto es proporcional a la raíz cuadrada de la
presión obtenida.
Q =Gasto
K = Constante
P = Diferencia de presión
Supongamos por ejemplo que en una determinada instalación el gasto máximo sea de 10 m3/minm, a la máxima
presión diferencia de 100 cm de agua, por lo tanto K=1, Si el gasto fuera reducido a la mitad, o sea 5m 3/min, la presión
diferencial para a ser de 25 cm de agua o sea ¼ de lo anterior.
La escala de un medidor de gasto del tipo de presión diferencial será consiguiente cuadrática, no lineal y solo permite
lectura precisa para gastos mayores cerca de 30% de gasto máximo.
La restricción al paso del fluido es comúnmente obtenido con placas de orificio instalado entre bridas de orificio, que
son provistas de tomas para la medición de presión diferencial.
Otros elementos primarios de medición además de las placas de orificio, son los tubos Venturi y Pitot, que produce
una perdida de carga permanente bastante menor que la producida con placas de orificio. Para la medición de presión
diferencial se utilizan generalmente medidores con 2 fuelles o 2 diafragmas en oposición.
Cuando se mide un gasto de gases la ecuación será:
Pa = Presión absoluta
ta = Temperatura absoluta del gas
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Así para la medición precisa es necesario que se mantengan constantes las 2 variables; o que se introduzcan
dispositivos especiales de compensación.
El rotámetro esta constituido de un tubo, en general de vidrio en el interior del cual se encuentra un flotador. El fluido
al ser medido entra al tubo por la parte inferior. El movimiento del flotador es proporcional al gasto, que puede ser leído en
las escala.
El medidor magnético de gasto, consta de un tubo metálico revestido internamente de material aislante, 2 bobinas
montadas encima y abajo del tubo, son alimentadas por corrientes pequeñas, creando en el interior del tubo un campo
magnético.
“electrodos son montados a los lados del tubo, aislados del mismo, atravesando el material aislante. El paso de un liquido
conductor de electricidad y el tubo hace pasar en los electrodos una tensión tanto mayor, cuanto mayor sea la velocidad del
fluido. Por la medida de la tensión se tiene una indicación de gasto.
Algunas consideraciones de importancia que deben ser tomadas en cuenta en la selección e instalación del elemento.
Presión
El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o
tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la
construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la
destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas,
fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan
importantes como lo es la seguridad extrema.
Por otro lado, la presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso
(como la composición de una mezcla en el proceso de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controlado con
precisión de gran importancia ya que afectaría la pureza de los productos poniéndolos fuera de especificación.
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La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se
mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza, conocidas que puede ser la de una columna liquida un
resorte, un embolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir
una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.
Tenemos que:
La relación de los diferentes tipos de presión se expresa en la figura siguiente:
Presión Absoluta
Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero
únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o
la velocidad molecular es muy pequeña. Ester termino se creo debido a que la presión atmosférica varia con la altitud y
muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un termino
absoluto unifica criterios.
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Presión Atmosférica
El hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire), y al tener este aire un peso actuando sobre la tierra, quiere
decir que estamos sometidos a una presión (atmosférica), la presión ejercida por la atmósfera de la tierra, tal como se mide
normalmente por medio del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar o a las alturas próximas a este, el valor de la
presión es cercano a 14.7 lb/plg2 (760 mmHg), disminuyendo estos valores con la altitud.
Presión Manométrica
Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que se define la
diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión es
constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es pequeña
mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es insignificante, es evidente que el valor absoluto
de la presión puede abstenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.
La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.
Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.
Vacío
Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos
tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor
desconocido y la presión atmosférica existente. Los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero
absoluto y por lo general se expresa a modo de centímetros de mercurio (cmHg), metros de agua, etc.
De la misma manera que para las presiones manométricas, las variaciones de la presión atmosférica tienen solo un
efecto pequeño en las lecturas del indicador de vacío.
Sin embargo, las variaciones pueden llegar a ser de importancia, que todo el intervalo hasta llegar al cero absoluto
solo comprende 760 mmHg.
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Tipos de Medidores de Presión
Los instrumentos para medición de presión pueden ser indicadores, registradores, transmisores y controladores, y
pueden clasificarse de acuerdo a lo siguiente:
Tipo de Manómetro Rango de Operación
M. de Ionización 0.0001 a 1 x 10-3 mmHg ABS
M. de Termopar 1 x 10-3 a 0.05 mmHg
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M. de Resistencia 1 x 10-3 a 1 mmHg
M. Mc. Clau 1 x 10-4 a 10 mmHg
M. de Campana Invertida 0 a 7.6 mmH2O
M. de Fuelle Abierto 13 a 230 cmH2O
M. de Cápsula 2.5 a 250 mmH2O
M. de Campana de Mercurio (LEDOUX) 0 a 5 mts H2O
M. "U" 0 a 2 Kg/cm2
M. de Fuelle Cerrado 0 a 3 Kg/cm2
M. de Espiral 0 a 300 Kg/cm2
M. de Bourdon tipo "C" 0 a 1,500 Kg/cm2
M. Medidor de esfuerzos (stren geigs) 7 a 3,500 Kg/cm2
M. Helicoidal 0 a 10,000 Kg/cm2
Las formas mas comunes es el tubo en "C", el Espiral y el Helicoidal.
El mas simple es el tubo en "C", alcanza a medir hasta 1,1500 Kg/cm2 con 2% de error máximo sin embargo, en los
elementos que requieren mayor precisión se usan los espirales o los helicoidales pues tienen mayor ganancia que el tubo "C"
y su precisión es de 0.5%. Los elementos de espiral admiten hasta 300 Kg/cm2.
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Además de los anteriores existe un grupo de manómetros diseñados para medir presiones bajas e intermedias (hasta
2 Kg/cm2 de los cuales son:
Manómetro de Mc. Clau
Opera en un columpio que permite hacerlo cambiar de posición horizontal a vertical y viceversa, atrapando un
volumen definido de gas de presión desconocido que al ser comprimido a un pequeño volumen por acción del mercurio se
obtiene una diferencia de niveles entre el tubo central y el tubo capilar de compensación. Como es obvio, este sistema no
sirve para gases que se condensen, además la lectura es intermitente. Aplicando la ley de boyle se puede hacer una escala
calibrada en términos de presión absoluta que represente el valor del sistema de vacío que se esta midiendo, Este aparato
es tan exacto que se utiliza para calibrar otras gamas parecidas.
Manómetro de Resistencia (PIRANI)
Operan bajo el principio de que la perdida de color de un alambre caliente varia de acuerdo con los cambios de
presión a los que esta sujeto, las variaciones en perdidas de calor son relativamente grandes cuando se operan con
presiones alrededor de 1 mmHg absoluto.
Este manómetro tiene un tubo sellado a una presión menor de 1 micrón (1x10 -3 mmHg) lleva en su interior una
resistencia que constituye la celda de compensación y otro tubo abierto con una resistencia igual a la anterior el cual se
conecta a la fuente de presión que va a ser medida. Ambas celdas forman parte de un circuito que fundamentalmente es un
puente de Wheatstone y finalmente las variaciones de voltaje se miden con un potenciómetro graduado en términos de
presión absoluta.
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Manómetro de Termopares
Este aparato es similar al anterior, excepto en que cada celda hay 2 termopares calentados por 4 filamentos
alimentados por 4 bobinas secundarias de un transformador, la salida del mV obtenido, se mide con un potenciómetro
graduado en presión absoluta que en el caso anterior.
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Manómetro de Ionización
Se utiliza en la medición de vacíos extremosos (de 0 a 1 micrón) consiste en un bulbo conectado a la fuente de vacio.
Cuando los electrones emitidos por un filamento caliente bombardean las moléculas del gas ocurre una ionización de
las mismas; estos iones permiten que la corriente fluya entre los electrodos. La proporción del flujo de iones es una medición
directa de la cantidad de gas presente y por lo tanto de la presión absoluta; la corriente resultante es amplificada
electrónicamente y después medida con un potenciómetro electrónico graduado en unidades de presión absoluta.
Manómetro de Fuelle
En su interior lleva un resorte que se opone al efecto de la presión, pueden ser abiertos o cerrados, en los primeros se
usa en tangos de 13 a 230 cmH2O y los segundos de 0.21 a 2 Kg/cm2. El movimiento obtenido por variaciones de presión se
amplifica con un juego de palancas y se transmite a una aguja o puntero.
Manómetros de Cápsula y Diafragma
Son utilizados para medir presiones de 2.5 a 240 cmH2O, las cápsulas son construidas de latón delgado o acero
inoxidable y los diafragmas pueden ser de cuero tratado con aceite, hule, neopreno, teflón, etc.
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Manómetro de Campana Invertida
Estos manómetros son muy usuales en mediciones de presiones bajas, (de 3 a 4 mmH2O). Cuando se usa para medir
presión estática, la campana que esta sumergida en aceite se balancea con un contrapeso pues estos aparatos no usan
resorte y trabajan con una báscula romana. Cuando se usan como presión diferencial llevan 2 campanas y la calibración
depende de la posición del contrapeso, puede medir hasta 3 a 7.6 cmH2O como se muestra en la figura.
Manómetro de campana invertida
Para medir presiones extremadamente grandes, se utilizan otros dispositivos conocidos como medidores de esfuerzos
este aparato posee algunas ventajas como su medición es eléctrica, la distancia entre el aparato y el elemento medidor
pueden ser relativamente grandes, además como no tiene partes móviles puede ser sellado herméticamente y no es
afectado por humedad, corrosión u otros agentes, también puede resistir hasta 3 veces el máximo de presión sin dañarse
debido a la rubuztes de su construcción.
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El elemento medidor es un alambre plano en forma de rejilla y conectado a un potenciómetro, opera entre rangos de
7 a 3,500 Kg/cm2.
Manómetro de Campana
Este medidor se conoce también con el nombre de medidor de mercurio o campana de ledoux y es muy usual como
medidor de flujo, consiste en 2 recipientes unidos por la parte inferior similar al manómetro de "U"; en realidad mide
presiones diferenciales.
Uno de los recipientes contiene un flotador de acero al carbón que arrastra un mecanismo para mover una plumilla.
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NIVELEl nivel es una variable importante para algunas industrias y en otras es indispensable, tales como la del papel y la
del petróleo, por mencionar algunas. Los instrumentos para la medición de nivel varían en complejidad de acuerdo con la
aplicación y su dificultad.
En la selección correcta de un instrumento para la medición de nivel intervienen en mayor o menor grado los siguientes
factores:
1. Rango de medición.
2. Naturaleza del fluido que va a ser medido.
3. Condiciones de operación.
Los instrumentos que se mencionan a continuación cubren prácticamente todas las aplicaciones de medición de nivel.
Estos se aplican básicamente en 2 formas: medición de nivel en tanques abiertos y tanques cerrados. Cuando el caso lo
requiere, controladores. Cuando las distancias entre el punto de medición y el lugar donde queremos la lectura son muy
grandes nos podemos auxiliar con transmisores.
Niveles en Tanques Abiertos
Los instrumentos que se usan para la medición de nivel en tanques abiertos se clasifican dentro de varias categorías:
visuales, de presión o cabeza hidrostática (columna de agua), de contacto directo o sea flotadores y otros tipos.
Visual
Este método es uno de los mas antiguos y de los mas simples para la medición continua de nivel de líquidos
contenidos en un tanque o vasija (olla). Se usa solamente cuando se requiere indicación local directa sobre el proceso y
cuando el liquido es (apreciablemente) limpio. Las mirillas y los manómetros de vidrio consisten simplemente en un vidrio
transparente o tubo plástico (transparente), adjunto al tanque; de tal manera que la cabeza del liquido en el tubo sea igual al
nivel del liquido en el tanque. Una escala calibrada marcada en el tubo o colocada dentro de este, nos proporciona un medio
conveniente para leer el nivel en plgs, pies, cm, mts o unidades de volumen: galones, pies3, m3, etc.
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Presión Hidrostática
Una columna liquida crea una presión hidrostática directamente proporcional a la altura del liquido arriba del punto
de referencia. Un elemento de presión apropiado, conectado adecuadamente al proceso, mide el nivel del liquido en
unidades apropiadas para las cuales se debe calibrar cada elemento. Los instrumentos que con mas frecuencia se usan para
medir nivel por presión hidrostática son el tipo de burbujeo y la caja de diafragma.
Los instrumentos para medición de nivel de purga continua se usan cuando los líquidos son corrosivos o tiene sólidos
en suspensión; y cuando se dispone de aire o gas y se requieren lecturas remotas. Este tipo de medición, es el mas simple,
el mas barato y el mas confiable y ampliamente usado. Un pedazo de tubo abierto se introduce dentro del tanque hasta un
punto de cerca de 3" por encima del fondo o del sedimento; o se efectúa la conexión por fuera del tanque (a un lado) a la
misma altura. Esta altura no es critica pero a la altura en que se coloque el tubo tiene que ser nuestro punto de referencia
para la calibración del elemento, para la medición de la presión hidrostática en términos de altura o volumen y debe estar (el
punto de referencia) arriba de cualquier sedimento que se pueda tener.
El aire comprimido o cualquier fluido similar se suministran a través de una válvula y restrictor y un rotámetro de
purga, de tal manera que el fluido escape solamente por el extremo abierto del tubo. La presión de aire en el tubo
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corresponde exactamente a la altura del liquido en el tanque. Si el nivel del liquido cambia, la presión de aire en el tubo de
burbujeo cambia también proporcionalmente.
Un instrumento de presión conectado al tubo de burbujeo registra la presión de aire en la gráfica o la indica en una
escala graduada apropiadamente en unidades de nivel: cm, pies, pulg, etc. O en volumen; litros, galones, etc. Tal como sea
requerido.
Los sistemas de caja de diafragma se usan para medir nivel en tanques abiertos, cuando no se puede contar con aire
o gas o cuando el método por el tubo de burbujeo no es recomendable. Consiste esencialmente en una copa recubierta con
un diafragma flexible el cual esta protegido por medio de un anillo metálico.
La caja esta dividida en dos secciones, con el diafragma insertado entre las dos y sellado a prueba de aire. Un tubo
capilar se usa para conectar la parte de arriba de la caja del diafragma con el instrumento. La caja esta colocada a una altura
determinada del tanque, la cual servirá como nivel de referencia. La presión causada por la columna del liquido por encima
del nivel de referencia actúa sobre el diafragma para comprimir el aire en el sistema sellado de presión en una cantidad
equivalente a la cabeza actual del liquido. Las variaciones de nivel producen cambios de presión proporcionales en el
sistema de aire. Esos cambios de presión actúan a un resorte de presión en el instrumento el cual esta conectado en una
pluma de registro o a un puntero indicador.
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Las cajas de diafragma se pueden montar de varias maneras.
Medición de PH
PH.- Disociación iónica o como potencial de hidrogeno, se entiende como la tendencia de átomos y moléculas o
disociarse formando iones (+) y (-). Se logra el equilibrio cuando el numero de moléculas en disociación es igual al numero
de moléculas por los iones.
Moléculas - Iones
Iones - Sal
H2O H++ (OH)-
Grado de disociación.- es la multiplicación de los iones.
Los ácidos tienen un alto PH o gran concentración de H+ (10-1)
Casos extremos: HCl = 10-1.
NaOH = 10-14.
Para medir las variaciones de las décadas de la escala n se usan logaritmos.
Concent H=15x; donde X 1 4
X=-log 10CH;
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Para HCl: 10-1
Agua: 10-7
NaOH: 10-14
Para concentraciones mayores al HCl y al NaOH es difícil cuantificar. Se tendrán que usar un procedimiento especial.
En quemaduras de ácido se aconseja usar agua o una base para neutralizar el ácido.
La disociación o PH no depende del volumen es el mismo en un tanque que en una gota.
Formas de Medida PH
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Electrodos de Hidrogeno
Eo Solución de PH
T en °C absolutos
E: Eo - 0.0001984 TPH
El principio físico es el de la electrólisis:
A mayor número de iones mayor conducción.
A menor número de iones menor conducción.
El inconveniente es la disponibilidad de H para bombear.
Es un método de laboratorios y no se usa por el enrarecimiento de H (en casos no se acepta el burbujeo de hidrogeno).
El Hidrogeno aumenta la conducción cuando el elemento es una base.
El método mas practico es el siguiente:
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El equilibrio se logra cuando los potenciales se igualan mediante los potenciómetros.
Ecuación general de Medidores de PH.
E = A + BT + CTPH
E = Constante.
A = Constante.
BT = Constante de temperatura.
CTPH = Constante de temperatura de PH.
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Medidores de Espesor
Para medir lamina se haría visto.
Para medir posición.
Núcleo móvil acoplado a un sensor de posición (espesor que provoca una diferente inducción en los devanados, ajuste
de 1 (sensibilidad)
0.005 plg a 21/2 plg. 1% al 3%.
El inconveniente es la aspereza de la superficie lo que puede provocar el paro del rodillo y que truene el
transformador.
No se usa para control debido a su sensibilidad se requiere mayor precisión, además con el tiempo se puede llenar de
grasa, tierra y no puede girar.
Se usa para indicación del operador (método estático).
Método Sónico
Para telas se le puede llamar método en "vivo" se basa en la resonancia. El espesor que este en función del elemento.
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Caso típico de laboratorio para medir espesor.
El material se hace resonar y su resonancia depende del espesor.
V = Velocidad del sonido.
f = Frecuencia de resonancia.
La exactitud es mejor del 1% puede llegar al 0.01%. La velocidad del motor se varia hasta encontrar el máximo pico
de resonancia. La velocidad es dato de fabricación. El cristal debe ser capaz de hacer resonar a cualquier material.
Rayos X
Para fines de control automático es el mas empleado, mas caro, mas peligroso. En tramos de laminación, papeletas,
donde se requiera un control fino.
No se pone en contacto con el material, lo que se aprovecha para tener otras temperaturas y velocidades.
Int. En el receptor = e (coeficiente de absorción del material) X (espesor del material).
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El coeficiente de absorción depende de la emisión o radiación, por ejemplo:
Se pueden hacer mediciones instantáneas (tiempos muertos) medición continua, más preciso (0.01%).
Se entiende como consistencia o resistencia al flujo o deformación cuando se somete a un esfuerzo constante.
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Las unidades de medición de viscosidad:
Viscosidad Absoluta CGS - POISE (DINA-seg/cm2)
Viscosidad H2O a 65°F = 0.01 o 1 Cent de Poise
Formas de Medición
Para aceites se lleva una probeta con balín y se invierte midiendo el tiempo en que baja.
Método del Pistón
No hay escalas, el tiempo es proporcional a la viscosidad.
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Se toma el tiempo de vaciado para un liquido a través de un orificio.
La medición de viscosidad es de laboratorio no se tienen en sistemas físicos.
Método de Torsión de Arrastre
Puede ser o no un liquido newtoniano.
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Para control en línea o control automático
Se aprovecha el principio de fricción de un liquido a mayor viscosidad mayor presión.
Visc = KAP K = Constantes de tubería, temperatura Etc.
Las escalas de viscosidad están en función del tiempo.
Humedad
Es la presencia de ciertas cantidades de H2O en la atmósfera y se puede medir de dos formas
Absoluta
Lb de H2O / Millones de pies3 normales.
Relativa
Capacidad del aire de humedecer o secar materiales. Es un grado de saturación del aire medida del confort humano.
El control de humedad se utiliza con las industrias textiles, papeleras, alimenticias, corrosión (problemas) de
combustión.
En textil: Humedad baja algodón quebradizo se pueden producir incendios; pueden salir manchas.
Humedad excesiva: Usa más algodón lo mancha no acepta tintas.
En Alimentos: Otra humedad contaminación.
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Corrosión
El acero inoxidable depende de la humedad. Un aire con SO2 y con humedad H2S o H2SO4 que afecta el cobre y
también a las tarjetas de computadora.
Humedad Relativa
Es la relación entre el porcentaje de la relación parcial del vapor de H2O en la atmósfera real sobre el porcentaje de la
presión del vapor H2O en la temperatura ambiente.
Porcentaje de Humedad
Es el por ciento de H2O en vapor en una unidad de peso de aire sobre el peso del vapor de H2O en el mismo aire.
En condiciones normales HA = %H
Punto de Rocío
Es el punto de condensación, es la temperatura del agua, pero antes que se forme el hielo. Cuando la presión de
vapor esta en equilibrio con la atmósfera.
Punto de rocío del punto de congelación.
El punto de rocío es una medida de la humedad constante.
Temperatura de Bulbo Seco
Es la temperatura de la atmósfera (normal)
Temperatura de Bulbo Húmedo
Es la temperatura en equilibrio dinámico que se determino cuando la superficie húmeda de un objeto o pequeña masa
(bulbo de termómetro). Se expone a una corriente de aire. La evaporación de H2O reacciona un enfriamiento que la
contrarresta por el calor absorbido por el aire.
Elementos de Humedad
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Higrómetro
De cabello (mas comúnmente empleado), mas barato, empleado en aire acondicionado.
Para Hec - de 15 a 95% y a 160°F
A mayor humedad se abre y a menor se contrae.
Higrómetro de Membrana
Alcanza del 20 a 85% H2O a 140°F
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Termómetros de Bulbo Seco
Método de Laboratorio para Humedad
Se hace circular el liquido cuya humedad se desea conocer por electrólisis. Se observa humedad estableciendo
conducción entre electrodos que nos dará una cierta cantidad de corriente.
Puede ser gases o líquidos. Se usa material higroscópico para facilitar conducción, reteniendo la humedad.
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HORNOS Y RECIPIENTES DE REFINACION
El objetivo principal del horno para fabricación de acero es quitar al hierro de primera fusión la mayor parte del
carbono. Luego se agrega una cantidad medida de carbono al acero fundido para darle las propiedades deseadas. También
se utiliza desperdicio de acero y se agregan otros elementos para mejorar las propiedades del acero. Un horno ya obsoleto
en la actualidad, el convertidor Bessemer, hizo posible la producción de grandes tonelajes de acero hacia mediados del siglo
XIX. Se construyeron grandes buques, ferrocarriles, puentes y grandes edificios con el producto de esta nueva fuente de
acero. Sin embargo, muchas de las impurezas quedaban en el acero y, desde que se usó aire inyectado para quemar el
carbono, el nitrógeno de la atmósfera se convirtió también en una impureza que debilitaba al acero.
El acero en bruto es además algunas veces mejorado en hornos, crisoles, calderos y recipientes para ciertas
aplicaciones. Se involucran pequeños pero crecientes tonelajes.
Horno Eléctrico de Inducción
Los hornos eléctricos de inducción utilizan una corriente inducida para fundir la carga. La energía es del tipo de
inducción sin núcleo dada por una corriente de alta frecuencia que suministra a la bobina primaria, enfriada por agua que
circunda al crisol. La corriente de alta frecuencia es alrededor de 1000 Hz, suministrada por un conjunto motor-generador o
un sistema de frecuencia con arco por vapor de mercurio. El crisol es cargado con una pieza sólida de metal, chatarra o
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virutas de operaciones de mecanizados, al cual se le induce una alta corriente secundaria. La resistencia de esta corriente
inducida en la carga se hace en 50 o 90 min, fundiéndola en grandes crisoles que contienen arriba de 3.6 Mg de acero.
Los hornos de inducción, con crisoles aprovechables desde pocos kilogramos hasta 3.6 Mg son relativamente bajos en
costo, casi libres de ruido y por lo mismo producen poco calor. Puesto que la temperatura no necesita ser más alta que la
requerida para fundir la carga, la chatarra aleada puede ser para refundir sin que sea "quemada" la calidad del material. Por
estas razones a menudo son encontrados en laboratorios experimentales o fundiciones. En hornos de arco eléctrico, la
temperatura alta del arco puede refinar el metal, siendo una desventaja de la fundición.
El tipo más sencillo tiene la cámara de fusión unida a un canal que, como ya se ha dicho, forma un circuito eléctrico
secundario cerrado en el cual se genera el calor. Al poner el horno en marcha, el canal está lleno de material metálico sólido
en íntimo contacto para permitir el cierre del anillo. Primeramente se funde el contenido del anillo (sección más estrecha) y
luego, poco a poco, se propaga la fusión a toda la carga. La mezcla del liquido queda favorecida por la acción
electrodinámica de la corriente.
Para facilitar las coladas subsiguientes conviene dejar siempre una cierta cantidad de metal liquido en el fondo del
horno de forma que el canal esté siempre lleno, es decir, cebado.
Éste es uno de los inconvenientes que hay que poner en el pasivo de esta clase de hornos. A pesar de todo, tuvieron
mucha aceptación en el campo de la fusión. Del bronce, cobre, aluminio y aleaciones derivadas, y, mas recientemente,
incluso para la fusión de la fundición gris.
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La figura muestra un esquema de un horno de este tipo muy en uso (Ajax).
La limpieza del canal es difícil: para comodidad de funcionamiento estos hornos han sufrido modificaciones importantes
en su desarrollo, y se les han añadido dos cámaras, una para la carga y otra para la descarga; de este modo:
a. Quedan eliminados los tiempos improductivos, porque la temperatura del metal se mantiene constante en la cámara
de descarga b incluso cuando se añade metal al vaso de carga a;
b. El metal de la cámara de descarga está siempre limpio, porque las escorias permanecen en la cámara de carga. El
sistema actúa a modo de sifón.
c. Dado que los canales tienden a estrecharse por las incrustaciones de óxidos que se forman durante el
funcionamiento, cada 24 horas, con el horno caliente, se efectúa la limpieza que dura media hora aproximadamente.
d. Los hornos son siempre rebatibles mecánica o hidráulicamente, y llevan el perno de rotación bajo la piquera de
colada.
e. Los hornos emplean corriente monofásica si son de poca cabida, y corriente trifásica, con más canales, si son
grandes.
f. El factor de potencia es, aproximadamente, 0,70, lo que obliga, en la mayoría de los casos, a acoplar uno o más
condensadores para aumentarlo a 0,80.
g. Las pérdidas de material por oxidación son mínimas y el funcionamiento resulta económico.
h. El recubrimiento está constituido por materiales refractarios cuya composición varia según los metales que hay que
fundir.
El horno de baja frecuencia no puede alcanzar las elevadas temperaturas necesarias para fundir el acero, por lo que se
emplea casi exclusivamente para aleaciones de cobre-níquel, con más del 30 % de este último metal. Puede fundir también
el hierro colado y metales y aleaciones ligeras.
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El consumo de corriente (Kwh. /ton) varia según el metal: funcionando continuamente es de 300 a 450 kWh/ton para el
bronce, 600 a 700 kWh/ton para el hierro colado y 400 a 450 kWh/ton para el cobre.
Normalmente, para completar la instalación del horno o de varios hornos se prepara un tambor de reserva, como se ha
indicado anteriormente.
Siendo estos hornos monofásicos, la instalación de uno solo desequilibra la línea, por lo que es preferible instalar dos o
tres con transformadores de toma Scott.
Hornos de inducción de alta frecuencia. –
Los hornos de inducción sin núcleo se basan en la ley física según la cual los cuerpos metálicos sometidos a la acción
de un campo magnético de corriente alterna se calientan tanto más cuanto más intenso es el campo magnético y cuanto
más elevada es la frecuencia.
Están constituidos por una espiral cilíndrica (enfriada por circulación interior de agua) de tubo de cobre de sección
rectangular o cuadrada, dentro de la cual va instalado un crisol que contiene el metal que se ha de fundir.
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Por efecto del campo magnético generado por la espiral se induce una corriente a la masa metálica y la energía
eléctrica absorbida se transforma en calor. El crisol refractario no impide la acción del campo magnético.
Mientras que en los hornos de baja frecuencia se emplea la corriente industrial de 42 a 50 Hz, en los hornos de alta
frecuencia puede variar de 500 a 3000 Hz, pudiendo llegar a 20000 y más en pequeños hornos experimentales.
En los hornos de tipo industrial, la corriente de alta frecuencia es obtenida con grupos giratorios motor-alternador de
alta frecuencia. Siendo bajísimo, sin embargo, el factor de potencia, hace falta disponer en serie o en paralelo una batería de
condensadores de capacidad tal que equilibren la corriente desfasada, como puede apreciarse en el esquema de instalación
de un horno de alta frecuencia que se representa en la figura.
El revestimiento del horno se forma con una masa de granalla de cuarcita en diversas gradaciones de tamaño, que se
hace plástica con la adición del 6 al 8 % de caolín. Se debe poner un gran cuidado al efectuar el revestimiento y el secado
que le sigue, que será muy lento para evitar resque-brajaduras.
También se puede efectuar el revestimiento usando granos de cuarcita y ácido bórico en la proporción del 1,5 al 3 %.
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La capacidad de esta clase de hornos puede variar desde unos pocos kilogramos hasta 10 a 12 toneladas con
potencias que alcanzan los 2000 Kw. y frecuencias de 500 a 600 Hz.
Aplicaciones:
Los hornos de inducción de alta frecuencia poseen notables ventajas: su producción es de gran calidad, con
oxidaciones muy reducidas y análisis constantes. Se obtiene también la supresión de los electrodos, una economía en los
gastos de funcionamiento y un menor consumo de corriente eléctrica.
Sin embargo, los gastos de instalación son muy elevados. Se emplean particularmente en las fundiciones de aceros
aleados especiales o de aleaciones de hierro colado y en menor escala en las fundiciones de hierro colado gris.
Crisol
El proceso de crisol es el proceso más viejo para la fabricación de acero, pero éste, hoy en día se usa muy poco
excepto en fundiciones no ferrosas. Los crisoles se hacen en general de una mezcla de grafito y arcilla. Son completamente
frágiles cuando se enfrían, debiendo ser manejados con cuidado, poseen resistencia considerable cuando están calientes.
Los crisoles son calentados con coque, aceite o gas natural y deben sujetarse con unas tenazas especiales ajustadas para
prevenir daños. El hierro dulce, metal enjuagado, chatarra de acero, carbón vegetal y ferroaleaciones constituyen la materia
prima para la fabricación de acero por este proceso. Estos materiales son colocados en crisoles que tienen una capacidad de
más o menos 50 kg y son fundidos en un horno regenerativo.
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Fusión al Vacío y con Atmósfera Especial
Los metales fundidos tienden a absorber gases debido a la humedad en el horno, en la olla y en la atmósfera o a
atrapar hidrocarburos de la carga. La rapidez de la oxidación del metal expuesto a la atmósfera crece con los aumentos de
temperatura. La temperatura de fusión más baja compatible con la suficiente fluidez, hará mínima la absorción de gas así
como la oxidación que es perjudicial.
Para algunos metales es permisible una capa de escoria o espuma acumulada sobre el metal fundido, para protegerlo de
la excesiva oxidación. Frecuentemente se añaden provocadores de escoria. En el caso del aluminio, esta escoria es algo
perjudicial durante el colado y deberá tenerse especial cuidado en evitar su entrada al molde.
3. Habilidad para retener las propiedades físicas a temperaturas extremas.
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4. Baja susceptibilidad a la corrosión y al desgaste, dependiendo de la aleación.
5. Promoción de las propiedades metalúrgicas deseables, tales como el tamaño fino del grano.
Lingotes de Acero y Colados Continuos
Para fabricar alambres, barras, láminas, placas, tubos o perfiles estructurales, el lingote de acero caliente se pasa por
rodillos, se prensa o se estira, en formas predeterminadas. Los lingotes se obtienen vaciando el metal en moldes, como se ve
la en la figura.
Los moldes pueden ser rectangulares, de sección cuadrada o redonda, los colados finales varían en tamaños desde
unos cuantos cientos de kilogramos, hasta 25 Mg. La clase de metal colado y el producto son los factores que determinan el
peso del lingote. Los lingotes de sección rectangular y cuadrada, tienen sus aristas redondeadas y los lados corrugados. El
redondeo de las aristas reduce la tendencia de los granos columnares a convergir, formando un plano débil. Corrugando los
lados se acelera el enfriamiento, lo cual es un proceso que reduce el tamaño de los granos columnares formados.
Los dos tipos de moldes para lingotes, de la figura se usan para colado por arriba. El tipo de extremo más grueso
hacia abajo, mostrado en A, es fácil de retirar del lingote, aun cuando las pérdidas del metal son grandes, debido a la
cavidad del rechupe (tubo) que se forma durante la operación de enfriamiento. Estas pérdidas son menores cuando se
emplea el tipo mostrado en B. Cuando se vacía un lingote la solidificación es progresiva, comenzando en la superficie del
molde y progresando hacia el centro. Durante este periodo hay considerable rechupe del metal. A medida que solidifica,
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capa tras capa, disminuye el volumen del metal, dando como resultado la formación de un hueco al completarse la
solidificación. La velocidad del enfriamiento, es un factor importante en la producción de lingotes sólidos.
Los lingotes hechos en moldes con el extremo grueso hacia arriba tienen, en la parte superior del molde, un gran
volumen de metal caliente, disponible durante el periodo de enfriamiento y al solidificar muestran pocas pérdidas de metal
debido a las cavidades por rechupe. Se pueden reducir las pérdidas por formación de tubos en los lingotes, bien sea
añadiendo metal durante el enfriamiento o usando rebosaderos refractarios. El metal en los rebosaderos permanece fundido
hasta que el lingote ha solidificado y durante el periodo de solidificación, le suministra el metal necesario para compensar los
rechupes.
Se obtienen varios tipos de estructuras de lingote, controlando o eliminando la evolución del gas en el metal, durante
la solidificación. El acero calmado habiendo sido desoxidado, no desarrolla gas durante la solidificación. La superficie
superior de cada lingote solidifica inmediatamente, así como en las paredes y porque el rechupe de la parte superior del
metal solidificado se forma una cavidad grande en el centro del tubo del interior del lingote. El proceso de producción del
acero "calmado" es complejo y depende de iniciar con un acero de alto carbono del que finalmente se desea; cuando el
carbono es reducido a la cantidad exacta, el acero es desoxidado por horno o agregando arrabio de silicio alto o una aleación
alta en silicio. Todos los aceros que tienen arriba de 0.30% de carbono son calmados. Tales lingotes tienen un mínimo de
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segregación, estructura buena y una cavidad grande en el centro, en general la conformación del molde con el extremo
grueso hacia arriba debe suministrársele metal caliente.
Otra estructura de lingote es conocida como acero tapado, el cual no esta, o sólo ligeramente, desoxidado por el
horno o caldero. Este tipo de acero es caracterizado por una acción de semiebullición en la coquilla después que ha sido
llenada, debido a la rápida evolución de monóxido de carbono, durante el periodo de solidificación Esto ocasiona la
formación de una estructura semejante a la de un panal que, si se controla, compensa a la mayoría de las perdidas por
rechupe. Estas pequeñas burbujas no constituyen un defecto, si no han tenido contacto con la atmósfera exterior y se
cierran por soldadura de presión en el proceso de trabajo en caliente. Los lingotes de acero tapado tienen buena superficie y
poca o ninguna oportunidad para la formación de tubos. La estructura de los lingotes semicalmados y de otros se obtienen
mediante el control de la formación de gas durante la solidificación.
Hornos de Gas
Los tres procesos modernos y los hornos que se emplean para producir acero son el de oxígeno básico, el de hogar
abierto y el eléctrico. Estos hornos no se pueden utilizar uno en lugar de otro. Cada sistema requiere diferentes fuentes de
energía y diferentes fuentes de materias primas. La clase de instalación se escoge, por tanto, por razones económicas y por
la disponibilidad de materias primas y fuentes de energía.
El horno de oxígeno básico está diseñado para producir un acero de alta calidad en poco tiempo; cada hornada por
hora es de 200 a 300 toneladas (en cada lote), en comparación a las hornadas de 100 a 375 toneladas que se obtienen entre
5 a 8 horas con el proceso de hogar abierto. La materia prima principal que se usa en el horno de oxígeno básico es arrabio
fundido procedente del alto horno. El desperdicio o chatarra de acero se carga al horno y se utiliza cal como fúndente para
que reaccione con las impurezas y forme una escoria sobre la superficie del metal fundido. Una lanza enfriada con agua se
baja dentro, a pocos metros de la carga para inyectar una corriente de oxigeno a más de 100 libras entre pulgada cuadrada
sobre la superficie del baño fundido. La oxidación del carbono y las impurezas ocasiona una vigorosa agitación la cual origina
que todo el metal se ponga en contacto con la corriente de oxígeno. Primero se inclina el crisol para remover la escoria y
luego se le hace girar para vaciar el acero fundido en una olla de colada. Se agrega carbón, generalmente en forma de
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esferas aglomeradas de antracita, en cantidades cuidadosamente medidas y también se añaden otros elementos para
producir la cantidad deseada en el acero.
Los hornos de hogar abierto toman su nombre de un área de fabricación de acero de poca profundidad a la que se
llama hogar, la cual está expuesta o abierta a un soplo de llamas que barre alternadamente el hogar desde un extremo del
horno durante un tiempo y, luego, del otro extremo del mismo. El horno se carga por una puerta lateral que se abre hacia el
piso de carga. Teóricamente, un horno de hogar abierto puede trabajar con hierro de alto horno solo o con chatarra de acero
sola, pero la mayoría de las operaciones utilizan ambos en proporciones aproximadamente iguales, las cuales varían con el
precio de la chatarra y la disponibilidad del hierro fundido. El desperdicio se coloca en el horno con una máquina cargadora
que generalmente da servicio a una línea o serie de hornos de hogar abierto en un solo edificio. Se agregan otros elementos
para mejorar el acero. Sobre la superficie del acero caliente se forman escamas o incrustaciones de laminación que se
desprenden en forma de escamas negras; éstas son en realidad una forma de óxido de hierro (Fe 3O4), llamado magnetitas en
su forma de mineral. En los molinos o trenes de laminación se utiliza el acero de los hornos de fabricación para reducir el
contenido de carbono. Se agrega ferrosilicio de aluminio si se quiere obtener acero calmado. Un acero calmado es aquel que
se ha desoxidado suficientemente para evitar la formación de gas en la lingotera, y dar lugar a un acero uniforme. Si no se
desoxigena al acero, se le llama acero efervescente porque se forman bolsas de gas y huecos producidos por el oxígeno libre
en el centro del lingote y el borde cercano a la superficie del lingote está libre de defectos. Sin embargo, la mayoría de estas
fallas se eliminan mediante procesos de laminación posteriores. Cuando los contenidos de la hornada son aceptables y la
temperatura es la correcta, se pica o sangra el horno y se vacía el metal fundido a una olla de colada .Como sucede con el
horno de oxígeno básico se agrega carbono al contenido de la olla para ajustar el contenido de carbono. Se agregan
pequeñas esferas de aluminio a la cuchara para desoxidar el metal fundido y producir un tamaño de grano más fino.
Una grúa viajera levanta la cuchara u olla de colada, con su carga de acero fundido, y la pasa sobre una serie de
pesados moldes de hierro fundido para hacer lingotes. El acero se descarga o se vacía a los moldes por medio de una
abertura que hay en el fondo de la olla de colada.
Instrumentación del Horno de Gas
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El funcionamiento del control y la instrumentación para el horno de gas es el siguiente
Se utiliza un programador el cual nos servirá para poner a funcionar el horno. Este controlador hará una secuencia de
seguridad para evitar peligros.
1. Manualmente se abrirá la válvula de seguridad la cual a su vez esta controlada por el programador, al haber algún
problema el controlador cerrara esta automáticamente.
2. Se accionara a un ventilador el cual funcionara por un tiempo programado para desalojar cualquier posible gas en el
horno que pueda ocasionar una explosión.
3. El programador abrirá la válvula del quemador piloto y al mismo tiempo creara un arco eléctrico por medio del
transformador de ignición.
4. Una fotocelda detectara si existe flama en el pilo, de detectar flama se podrá pasar al siguiente paso.
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5. Una vez detectada la flama por la fotocelda el programador abrirá la válvula principal y quedando totalmente la
regulación de la temperatura en manos del controlador.
6. Por medio de un sensor de temperatura se le hará llegar la señal al controlador y este a su vez abrirá o cerrara así
sea necesario a una válvula de control controlada por un actuador.
El programador en todo momento esta sentando la presencia de flama, y en cualquier momento la flama se apagara el
programador cerrara la válvula de seguridad y accionara una alarma.
Secuencia del funcionamiento del Horno de gas.
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Los equipos ocupados para la instrumentación y control del horno de gas son:
Programador (protector)
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Programador (protector)
Funciona como detector de flama, recibe la señal por medio de
un amplificador de estado sólido el cual esta conectado a una
fotocelda.
Este dispositivo esta registrando a cada momento la presencia
de flama. Al no detectar flama puede:
Desenergizar las válvulas de gas en un tiempo de
retardo de 4 segundos.
Accionar una alarma.
Ambas
Fotocelda detectora de flama.
Este dispositivo esta conectado al programador, se puede
emplear también un sensor ultravioleta ajustable, pero este
tiene un alto costo y en el procesos solo se necesita detecta si
existe o no la flama.
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Actuador
Este va acoplado directamente a las válvulas que están
montadas en la tubería de gas.
Controlador Digital
Este instrumento es el encargado de la regulación de
temperatura. Recibe una señal de un sensor de temperatura,
controlando a su vez una válvula.
Este se ajusta a la temperatura requerida.
Detector Radiomatico de Temperatura
Este dispositivo va conectado al controlador
Detecta la temperatura en el horno por medio de la radiación
emitida por el metal.
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Simbología para el Horno de Gas
Se emplearon instrumentos de marca Honeywell para la instrumentación del horno, el uso del programador es
indispensable para la seguridad de la planta.
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Se pudo haber empleado como sensor de temperatura un termopar tipo k de lanza que es el mas indicado para este
tipo de mediciones, sin embargo resulta obsoleto y costoso ya que en un mes se invierte una fuerte cantidad económica que
resulta igual al costo de un radiomatico que resulta mas eficiente y con mayor tiempo de vida útil (15 años).
Ventajas y desventajas al utilizar el horno de gas.
Los fabrican en el país.
El costo de la instalación es mas económica.
Su costo no es tan elevado como los hornos de inducción.
Requiere de mayor instrumentación.
Es mas riesgos en su operación (fugas de gas).
Es muy contamínante.
Hace demasiado ruido al operar.
Instrumentación del Horno de Inducción
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El funcionamiento del Horno de inducción es el siguiente:
1. Por medio del control de velocidad se hace funcionar el motor para proporcionarle energía mecánica al alternador de
alta frecuencia.
2. El alternador de alta frecuencia proporciona la energía alterna utilizada por el horno de inducción, esta energía pasa a
través de un banco de capacitores automáticos para poder regular el factor de potencia.
3. Un sensor de temperatura sensa la temperatura del horno, la señal es transmitida a un indicador de temperatura y a
su vez a un controlador o variador de velocidad.
4. El variador de velocidad regula las revoluciones por minuto, al hacer esto esta variando la frecuencia del alternador.
Como se puede observar, el funcionamiento del horno de inducción es muy sencillo en comparación al horno de gas.
También se puede observar que se utilizan instrumentos para sensar la frecuencia y las revoluciones por minuto.
Instrumentos Utilizados
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Detector Radiomatico de Temperatura
Este dispositivo va conectado al controlador
Detecta la temperatura en el horno por medio de la radiación emitida por el metal.
Encoder
Este dispositivo es usado para establecer las revoluciones por minuto del motor
Variadores de Velocidad
Es el encargado de regular la velocidad para poder obtener la frecuencia necesaria para el horno de
inducción.
Wáttmetro
Nos sirve para establecer que cantidad de energía esta consumiendo el horno y a su vez determinar
el factor de potencia
Frecuencimetro
Con este establecemos la frecuencia que estamos obteniendo del alternador de alta frecuencia
Simbología para el Horno de Inducción
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Esquema de Funcionamiento del Horno de Inducción
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Ventajas y Desventajas del horno de Inducción
Los hornos son siempre rebatibles mecánica o hidráulicamente, y llevan el perno de rotación bajo la piquera de
colada.
Los hornos emplean corriente monofásica si son de poca cabida, y corriente trifásica, con más canales, si son
grandes.
El factor de potencia es, aproximadamente, 0,70, lo que obliga, en la mayoría de los casos, a acoplar uno o más
condensadores para aumentarlo a 0,80.
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Las pérdidas de material por oxidación son mínimas y el funcionamiento resulta económico.
Su producción es de gran calidad, con oxidaciones muy reducidas y análisis constantes.
Se obtiene también la supresión de los electrodos, una economía en los gastos de funcionamiento y un menor
consumo de corriente eléctrica.
Los gastos de instalación son muy elevados. Se emplean particularmente en las fundiciones de aceros aleados
especiales o de aleaciones de hierro colado y en menor escala en las fundiciones de hierro colado gris.
Son menos riesgosos para la planta.
No hacen ruido.
No son construidos en el país.
Introducción
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Un lingote de acero tiene un uso muy reducido hasta que le es dada una forma tal que pueda usarse en un proceso de
manufactura. Si el lingote es admitido en frío, se vuelve bastante difícil, si no imposible, convertir el material por medios
mecánicos en una forma estructural, acero en barra o lámina. Sin embargo, si el lingote se trabaja en caliente, puede
martillarse, prensarse, rolarse o extruirse en otras formas. Debido a la desoxidación y otras desventajas del trabajo en
caliente a temperaturas elevadas, la mayoría de los metales ferrosos se trabajan en frío o se terminan en frío después del
trabajo en caliente para obtener un buen acabado superficial, alta exactitud dimensional y mejorar las propiedades
mecánicas.
La forja fue el primer método de trabajo en caliente como se muestra en la histórica fotografía de la Fig.1. Una prensa
movida por una fuente de potencia general y una banda desde los árboles, tiene un brazo descendente y golpea un pedazo
caliente de metal colocado en un dado. Los procesos, mientras la tecnología se ha mejorado, hoy permanecen semejantes.
DEFORMACION PLASTICA
Los dos tipos principales de trabajo mecánico en los cuales el material puede sufrir una deformación plástica y
cambiarse de forma son trabajos en caliente y trabajos en frío
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Como muchos conceptos metalúrgicos, la diferencia entre trabajo en caliente y en frío no es fácil de definir. Cuando al
metal se le trabaja en caliente, las fuerzas requeridas para deformarlo son menores y las propiedades mecánicas se cambian
moderadamente. Cuando a un metal se le trabaja en frío, se requieren grandes fuerzas, pero el esfuerzo propio del metal se
incrementa permanentemente.
La temperatura de recristalización de un metal determina si el trabajo en caliente o en frío está siendo cumplido o no.
El trabajo en caliente de los metales toma lugar por encima de la recristalización o rango de endurecimiento por trabajo. El
trabajo en frío debe hacerse a temperaturas abajo del rango de recristalización y frecuentemente es realizado a temperatura
ambiente. Para el acero, la recristalización permanece alrededor de 500 a 700 °C, aunque la mayoría de los trabajos en
caliente del acero se hacen a temperaturas considerablemente arriba de este rango. No existe tendencia al endurecimiento
por trabajo mecánico hasta que el limite inferior del rango recristalino se alcanza. Algunos metales, tales como el plomo y el
estaño, tienen un bajo rango recristalino y pueden trabajarse en caliente a temperatura ambiente, pero la mayoría de los
metales comerciales requieren de algún calentamiento. Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre todo en
el rango de trabajo conveniente, siendo el resultado acostumbrado aumentar la temperatura del rango recristalino. Este
rango también puede incrementarse por un trabajo anterior en frío.
Durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal está en estado plástico y es formado rápidamente por
presión. Adicionalmente, el trabajo en caliente tiene las ventajas siguientes:
1. La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayoría de los lingotes fundidos contienen muchas
pequeñas sopladuras. Estas son prensadas y a la vez eliminadas por la alta presión de trabajo.
2. Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a través del metal.
3. Los granos gruesos o prismáticos son refinados. Dado que este trabajo está en el rango recristalino, seria mantenido
hasta que el límite inferior es alcanzado para que proporcione una estructura de grano fino.
4. Las propiedades físicas generalmente se mejoran, principalmente debido al refinamiento del grano. La ductilidad y la
resistencia al impacto se perfeccionan, su resistencia se incrementa y se desarrolla una gran homogeneidad en el
metal. La mayor resistencia del acero laminado existe en la dirección del flujo del metal.
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5. La cantidad de energía necesaria para cambiar la forma del acero en estado plástico es mucho menor que la
requerida cuando el acero está frío.
Todos los procesos de trabajo en caliente presentan unas cuantas desventajas que no pueden ignorarse. Debido a la alta
temperatura del metal existe una rápida oxidación o escamado de la superficie con acompañamiento de un pobre acabado
superficial. Como resultado del escamado no pueden mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajo en caliente y
los costos de mantenimiento son altos, pero el proceso es económico comparado con el trabajo de metales a bajas
temperaturas.
El término acabado en caliente, se refiere a barras de acero, placas o formas estructurales que se usan en estado
"laminado" en el que se obtienen de las operaciones de trabajo en caliente. Se hacen algunos desescamados pero por lo
demás el acero está listo para usarse en puentes, barcos, carros de ferrocarril, y otras aplicaciones en donde no se requieren
tolerancias cerradas. El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad, dado que el contenido de carbono es menor del
0.25%.
Los principales métodos de trabajo en caliente de los metales son:
A. Laminado C. Extrusión
B. Forjado D. Manufactura de tubos
1.Forja de herrero o con martillo E. Embutido
2.Forja con martinete F. Rechazado en caliente
3.Forja horizontal G. Métodos especiales
4.Forja con prensa
5.Forja de laminado
6.Estampado
LAMINADO
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Los lingotes de acero que no son refusionados y fundidos en moldes se convierten en productos utilizables en dos pasos:
1. Laminando el acero en formas intermedias-lupias, tochos y planchas.
2. Procesando lupias, tochos y planchas en placas, láminas, barras, formas estructurales u hojalata.
El acero permanece en las lingoteras hasta que su solidificación es casi completa, que es cuando los moldes son
removidos. Mientras permanece caliente, los lingotes se colocan en hornos de gas llamados fosos de recalentamiento, en
donde permanecen hasta alcanzar una temperatura de trabajo uniforme de alrededor de 1200 °C en todos ellos. Los lingotes
entonces se llevan al tren de laminación en donde debido a la gran variedad de formas terminadas por hacer, son primero
laminadas en formas intermedias como lupias, tochos o planchas. Una lupia tiene una sección transversal con un tamaño
mínimo de 150 x 150 mm. Un tocho es más pequeño que una lupia y puede tener cualquier sección desde 40 mm hasta el
tamaño de una lupia. Las planchas pueden laminarse ya sea de un lingote o de una lupia. Tienen un área de sección
transversal rectangular con un ancho mínimo de 250 mm y un espesor mínimo de 40 mm. El ancho siempre es 3 o más
veces el espesor y puede ser cuando mucho de 1500 mm. Placas, plancha para tubos y fleje se laminan a partir de planchas.
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ESQUEMA GENERAL DEL PROCESO DE LAMINACION Y SUS DIFERENTES VARIANTES
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INTRODUCCIÓN
En instrumentación y control, se emplea un sistema especial de símbolos con el objeto de transmitir de una forma
más fácil y específica la información. Esto es indispensable en el diseño, selección, operación y mantenimiento de los
sistemas de control.
Un sistema de símbolos ha sido estandarizado por la ISA (Sociedad de Instrumentistas de América). La siguiente
información es de la norma: ANSI/ISA-S5.1-1984(R 1992).
Las necesidades de varios usuarios para sus procesos son diferentes. La norma reconoce estas necesidades,
proporcionando métodos de simbolismo alternativos. Se mantienen varios ejemplos agregando la información o
simplificando el simbolismo, según se desee.
Los símbolos de equipo en el proceso no son parte de esta norma, pero se incluyen para ilustrar aplicaciones de
símbolos de la instrumentación.
APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA.
La norma es conveniente para el uso en la química, petróleo, generación de poder, aire acondicionado, refinando
metales, y otros numerosos procesos industriales.
Ciertos campos, como la astronomía, navegación, y medicina, usan instrumentos muy especializados, diferentes a los
instrumentos de procesos industriales convencionales. Se espera que la norma sea flexible, lo bastante para encontrarse
muchas de las necesidades de campos especiales.
APLICACIÓN EN ACTIVIDADES DE TRABAJO.
La norma es conveniente para usar siempre cualquier referencia de un instrumento o de una función de sistema de
control se requiere para los propósitos de simbolización e identificación. Pueden requerirse tales referencias para los usos
siguientes, así como otros:
Bocetos del plan
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Ejemplos instrucción
Papeles técnicos, literatura y discusiones
Diagramas de sistemas de instrumentación, diagramas de vuelta, diagramas lógicos
Descripciones funcionales
Diagramas de flujo: Procesos, Mecánicos, Ingeniería, Sistemas, que Conduce por tuberías (el Proceso) e
instrumentación
Dibujos de construcción
Especificaciones, órdenes de compra, manifiestos, y otras listas
Identificación (etiquetando) de instrumentos y funciones de control
Instalación, operación e instrucciones de mantenimiento, dibujos, y archivos
Se piensa que la norma proporciona la información suficiente para habilitar a cualquiera de los documentos del
proceso de medida y control (quién tiene una cantidad razonable de conocimiento del proceso) para entender los medios de
medida y mando del proceso. El conocimiento detallado de un especialista en la instrumentación no es un requisito previo a
esta comprensión.
APLICACIÓN A CLASES DE INTRUMENTACIÓN Y FUNCIÓNES DE INTRUMENTOS.
El simbolismo y métodos de identificación proporcionados en esta norma son aplicables a todas las clases de medida
del proceso e instrumentación de control. Ellos no sólo son aplicables a la descripción discreta de instrumentos y sus
funciones, pero también para describir las funciones análogas de sistemas que son "despliegue compartido," "control
compartido", "control distribuido" y "control por computadora".
DEFINICIONES
Para un mejor entendimiento de la norma, se tienen las siguientes definiciones:
Accesible Este término se aplica a un dispositivo o función que puede ser usado o visto por un operador con el propósito
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de controlar el desempeño de las acciones de control; como ejemplo: cambios en el set-point, transferencia
auto-manual o acciones de encendido y apagado.
Alarma Es un dispositivo o función que detecta la presencia de una condición anormal por medio de una señal audible o
un cambio visible discreto, o puede tratarse de ambas señales al mismo tiempo, las cuales tienen el fin de
atraer la atención.
Asignable Este término se aplica a una característica que permite el cambio (o dirección) de una señal de un dispositivo a
otro sin la necesidad de la activación de un switch o algún otro elemento.
Estación auto-
manual
Término empleado como sinónimo de estación de control.
Balón Se emplea como sinónimo de burbuja.
Detrás del panel Este término se refiere a la posición de un instrumento, el cual ha sido montado en un panel de control, pero no
es normalmente accesible al operador.
Binario Término aplicado a una señal o dispositivo que tiene solo dos posiciones o estados discretos. Cuando es usado
en su forma más simple, como en “señal binaria” (lo que es opuesto a señal analógica), el término denota un
estado de “encendido-apagado” o de “alto-bajo”.
Board Término en inglés el cual se interpreta como sinónimo de panel.
Burbuja Símbolo circular usado para denotar e identificar el propósito de un instrumento o función. Puede contener una
etiqueta con un número. Es también un sinónimo de balón.
Dispositivo
computable o de
cómputo
Dispositivo o función que emplea uno o más cálculos u operaciones lógicas, o ambas, y transmite uno o más
resultados a las señales de salida.
Configurable Término aplicado a un dispositivo o sistema cuyas características funcionales pueden ser seleccionadas a través
de un programa o de otros métodos.
Controlador Dispositivo con una salida que varía para regular una variable de control de una manera específica. Un
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controlador manual varía su salida automáticamente en respuesta a una entrada directa o indirecta de un proceso
variable. Un controlador manual es una estación manual de carga y su salida no depende de una medida de un
proceso variable pero puede variarse solamente por medio de un procedimiento manual.
Estación de control Una estación de carga manual que también proporciona un control en el cambio de manual a automático de los
modos de control dentro de lazo de control, a ésta también se le conoce como estación auto-manual.
Válvula de control Es un dispositivo, el más comúnmente usado, que actúa manualmente o por sí mismo, que directamente
manipula el flujo de uno o más procesos.
Convertidor Es un dispositivo que recibe información en determinada manera de un instrumento y transmite una señal de
salida en otra forma.
Un convertidor es también conocido como transductor, de cualquier forma, transductor es un término general, y
su uso para conversión de señales no es recomendado.
Digital Término aplicado a una señal o dispositivo que usa dígitos binarios para representar valores continuos o estados
discretos.
Sistemas de control
distribuidos
Sistema el cual, mientras es funcionalmente integrado, consiste de subsistemas los cuales pueden ser
físicamente separados y colocarse de una forma remota unos de otros.
Elemento final de
control
Dispositivo que controla directamente los valores de la variable manipulada en un lazo de control.
Generalmente el elemento final de control es una válvula de control.
Función Propósito que debe cumplir un dispositivo de control.
Identificación Secuencia de letras o dígitos, o ambos, usados para señalar un instrumento en particular o un lazo.
Instrumentación Colección de instrumentos o sus aplicaciones con el fin de observar mediciones, control, o cualquier
combinación de estos.
Local Es la localización de un instrumento que no esta ni dentro ni sobre un panel o consola, ni esta montado en un
cuarto de control. Los instrumentos locales están comúnmente en el ámbito de un elemento primario o un
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elemento de control, la palabra “campo” es un sinónimo muy usado con local.
Panel local Que no esta en un panel central, los paneles locales están comúnmente en el ámbito de subsistemas de plantas
o subareas. El término instrumento local de panel no puede ser confundido con instrumento local.
Lazo Combinación de uno o más instrumentos o funciones de control que señalan el paso de uno a otro con el
propósito de medir y/o controlar las variables de un proceso.
Estación manual de
carga
Dispositivo o función que tiene un ajuste de salida manual que es usado con un actuador o como más
dispositivos. La estación no proporciona un cambio entre un modo de control automático o manual de un lazo
de control. La estación puede tener indicadores integrados, luces u otras características. Esto es normalmente
conocido como estación manual o cargador manual.
Medida Determinación de la existencia o magnitud de una variable.
Monitor Término general para un instrumento o sistema de instrumentos usados para la medición o conocer la
magnitud de una o más variables con el propósito de emplear la información en determinado momento. El
término monitor no es muy específico, algunas veces significa analizador, indicador, o alarma.
Luz del monitor Sinónimo de luz piloto.
Panel Estructura que tiene un grupo de instrumentos montados sobre ella. El panel puede consistir de una o varias
secciones, cubículos, consolas o escritorios.
Montado en panel Término aplicado a un instrumento que esta montado sobre un panel o consola y es accesible para un operador
en uso normal.
Luz piloto Es una luz que indica cual número o condiciones normales de un sistema o dispositivo existe. Una luz piloto es
también conocida como una luz monitor o de monitor.
Elemento primario Sinónimo de sensor.
Proceso Es cualquier operación o secuencia de operaciones que involucren un cambio de energía, estado, composición,
dimensión, u otras propiedades que pueden referirse a un dato.
Variable de proceso Cualquier propiedad variable de un proceso. El término variable de proceso es usado en como un standard para
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la aplicación a todas las variables.
Programa Secuencia respetable de acciones que definen el nivel de las salidas como una compostura de las relaciones al
establecimiento de las entradas.
Controlador lógico
programable
Un controlador, usualmente con entradas y salidas múltiples que contiene un programa alterable, es llamado de
esta manera o comúnmente conocida como PLC.
Relay Dispositivo cuya función es pasar información sin alterarla o solo modificarla en determinada forma. Relay es
comúnmente usado para referirse a dispositivos de cómputo.
Sensor Parte de un lazo o un instrumento que primero detecta el valor de una variable de proceso y que asume una
correspondencia, predeterminación, y estado inteligible o salida. El sensor puede ser integrado o separado de
un elemento funcional o de un lazo. Al sensor también se le conoce como detector o elemento primario.
Set point El set point o punto de referencia puede ser establecido manualmente, automáticamente o programado. Su
valor se expresa en las mismas unidades que la variable controlada.
Switch Dispositivo que conecta, desconecta, selecciona, o transfiere uno o más circuitos y no esta diseñado como un
controlador, un relay o una válvula de control.
Punto de prueba Proceso de una conexión el cual no esta permanentemente conectado, su conexión es solamente temporal o
intermitente a un instrumento.
Transductor Término general para un dispositivo que recibe información en forma de uno o más cuantificadores físicos,
modificadores de información y/o su forma si requiere, y produce una señal de salida resultante. Dependiendo
de la aplicación un transductor puede ser un elemento primario, un transmisor un relay, un convertidor u otro
dispositivo. Porque el término transductor no es específico, su uso para aplicaciones específicas no es
recomendado.
Transmisor Dispositivo que detecta la variable de un proceso a través de un sensor y tiene una salida la cual varía su valor
solamente como una función predeterminada de la variable del proceso. El sensor puede estar o no integrado
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al transmisor.
SIMBOLOS DE INSTRUMENTACIONSÍMBOLOS Y NÚMEROS DE INSTRUMENTACIÓN
La indicación de los símbolos de varios instrumentos o funciones han sido aplicados en las típicas formas. El uso no
implica que la designación o aplicaciones de los instrumentos o funciones estén restringidas en ninguna manera. Donde los
símbolos alternativos son mostrados sin una preferencia, la secuencia relativa de los números no implica una preferencia.
La burbuja puede ser usada para etiquetar símbolos distintivos, tal como aquellos para válvulas de control. En estos
casos la línea que esta conectando a la burbuja con el símbolo del instrumento esta dibujado muy cerca de él, pero no llega
a tocarlo. En otras situaciones la burbuja sirve para representar las propiedades del instrumento.
Un símbolo distintivo cuya relación con el lazo es simplemente aparentar que un diagrama no necesita ser etiquetado
individualmente. Por ejemplo una placa con orificio o una válvula de control que es parte de un sistema más largo no
necesita ser mostrado con un número de etiqueta en un diagrama. También, donde hay un elemento primario conectado a
otro instrumento en un diagrama, hace uso de un símbolo para representar que el elemento primario en un diagrama puede
ser opcional.
Los tamaños de las etiquetas de las burbujas y de los símbolos de los misceláneos son los tamaños generalmente
recomendados. Los tamaños óptimos pueden variar dependiendo en donde o no es reducido el diagrama y dependiendo el
número de caracteres seleccionados apropiadamente acompañados de otros símbolos de otros equipos en un diagrama.
Las líneas de señales pueden ser dibujadas en un diagrama enteramente o dejando la parte apropiada de un símbolo
en cualquier ángulo. La función de los designadores de bloque y los números de las etiquetas podrían ser siempre mostrados
con una orientación horizontal. Flechas direccionales podrían ser agregadas a las líneas de las señales cuando se necesite
aclarar la dirección del flujo para información. La aplicación de flechas direccionales facilita el entendimiento de un sistema
dado.
Eléctrico, neumático o cualquier otro suministro de energía para un instrumento no se espera que sea mostrado, pero
es esencial para el entendimiento de las operaciones de los instrumentos en un lazo de control.
En general, una línea de una señal representara la interconexión entre dos instrumentos en un diagrama de flujo
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siempre a través de ellos. Pueden ser conectados físicamente por más de una línea.
La secuencia en cada uno de los instrumentos o funciones de un lazo están conectados en un diagrama y pueden
reflejar el funcionamiento lógico o información acerca del flujo, algunos de estos arreglos no necesariamente corresponderán
a la secuencia de la señal de conexión. Un lazo electrónico usando una señal analógica de voltaje requiere de un cableado
paralelo, mientras un lazo que usa señales de corriente analógica requiere de series de interconexión. El diagrama en
ambos casos podría ser dibujado a través de todo el cableado, para mostrar la interrelación funcional claramente mientras se
mantiene la presentación independiente del tipo de instrumentación finalmente instalado.
El grado de los detalles para ser aplicado a cada documento o sección del mismo esta enteramente en la discreción
del usuario de la conexión. Los símbolos y designaciones en esta conexión pueden diseñarse para la aplicación en un
hardware o en una función en específico. Los sketches y documentos técnicos usualmente contienen simbolismo
simplificado e identificación. Los diagramas de flujo de un proceso usualmente son menos detallados que un diagrama de
flujo de ingeniería. Los diagramas de ingeniería pueden mostrar todos los componentes en línea, pero pueden diferir de
usuario a usuario en relación a los detalles mostrados. En ningún caso, la consistencia puede ser establecida para una
aplicación. Los términos simplificado, conceptual, y detallado aplicado a los diagramas donde se escoge la representación a
través de la sección de un uso típico. Cada usuario debe establecer el grado de detalle de los propósitos del documento
específico o del documento generado.
Es común en la práctica para los diagramas de flujo de ingeniería omitir los símbolos de interconexión y los
componentes de hardware que son realmente necesarios para un sistema de trabajo, particularmente cuando la
simbolización eléctrica interconecta sistemas.
Un globo o círculo simboliza a un instrumento aislado o instrumento discreto, pare el caso donde el círculo esta dentro
de un cuadrado, simboliza un instrumento que comparte un display o un control. Los hexágonos se usan para designar
funciones de computadora. Para terminar el los controles lógicos programables PLC's se simbolizan con un rombo dentro de
un cuadrado.
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Instrumento Discreto
Display Compartido, Control Compartido
Función de computadora
Control Lógico Programable
Descripción de cómo los círculos indican la posición de los instrumentos.
Los símbolos también indican la posición en que están montados los instrumentos. Los símbolos con o sin líneas nos
indican esta información. Las líneas son variadas como son: una sola línea, doble línea o líneas punteadas.
Montado en Tablero
Normalmente accesible al
operador
Montado en
Campo
Ubicación Auxiliar.
Normalmente accesible al
operador.
Instrumento Discreto o Aislado
Display compartido, Control
compartido.
Función de Computadora
Control Lógico Programable
Las líneas punteadas indican que el instrumento esta mondado en la parte posterior del panel el cual no es accesible al
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operador.
Instrumento Discreto
Función de
Computadora
Control Lógico
Programable
Numero de identificación de los instrumentos o números TAG
Cada instrumento o función para ser designada esta diseñada por un código alfanumérico o etiquetas con números.
La parte de identificación del lazo del número de etiqueta generalmente es común a todos los instrumentos o
funciones del lazo. Un sufijo o prefijo puede ser agregado para completar la identificación.
NUMERO DE IDENTIFICACION TIPICO ( NUMERO TAG)
TIC
103
T 103
103
TIC
T
IC
1. Identificación del instrumento o número de etiqueta
2. Identificación de lazo
3. Número de lazo
4. Identificación de funciones
5. Primera letra
6. Letras Sucesivas
NUMERO DE IDENTIFICACION EXPANDIDO
10-PAH-5A 1. Número de etiqueta
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A
2. Prefijo opcional
3. Sufijo opcional
Nota: Los guiones son optativos como separadores.
El número de lazo del instrumento puede incluir información codificada, tal como la designación del área de la planta
que lo designe. Esto también es posible para series específicas de números para designar funciones especiales.
Cada instrumento puede ser representado en diagramas por un símbolo. El símbolo puede ser acompañado por un
número de etiqueta.
IDENTIFICACIÓN FUNCIONAL.
La identificación funcional de un instrumento o su equivalente funcional consiste de letras, las cuales se muestran en
la tabla 1 e incluyen una primera letra (designación de la medida o variable inicial) y una o más letras sucesivas
(identificación de funciones).
La identificación funcional de un instrumento esta hecha de acuerdo a su función y no a su construcción. Un
registrador de diferencia de presión usado para medir flujo se identifica como FR; un indicador de presión y un switch
actuado a presión conectado a la salida de un transmisor de nivel neumático están identificados por LI y LS,
respectivamente.
En un lazo de instrumentos, la primera letra de una identificación funcional es seleccionada de acuerdo a la medida y
a la variable inicial y no de acuerdo a la variable manipulada. Una válvula de control varía el flujo de acuerdo a lo
dictaminado por un controlador de nivel, esto es una LV.
La sucesión de letras en la identificación funcional designa una o más funciones pasivas y/o salidas de función. Una
modificación de las letras puede ser usada, si se requiere, en adición a una o más letras sucesivas. Por ejemplo, TDAL
contiene dos modificadores. La variable medida D cambia a una nueva variable T, como diferencia de temperatura. La letra
L restringe la lectura de la función A, alarma, para representar solamente una alarma baja.
La secuencia de identificación de las letras llega a ser con una primera letra seleccionada de acuerdo a la tabla 1. Las
letras de funciones pasivas o activas siguen cualquier orden, y las letras de la salida funcional siguen a ésta en cualquier
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frecuencia, excepto que la salida de la letra C (control) precede la salida de la letra V (valve), por ejemplo: PCV (válvula
controladora de presión).
Un dispositivo de función múltiple puede ser simbolizado en un diagrama por muchas burbujas como haya variables
medidas, salidas y/o funciones. Un controlador de temperatura con un switch puede ser identificado por dos burbujas una
con la inscripción TIC-3 y una con la inscripción TSH-3. El instrumento podría estar designado como TIC-3/TSH-3 para todos
los usos y sus referencias.
El número para las letras funcionales agrupadas en un instrumento pueden mantenerse con un mínimo de acuerdo al
ajuste del usuario. El número total de letras contenidas en un grupo no pueden exceder de cuatro.
IDENTIFICACIÓN DEL LAZO.
La identificación del lazo consiste en la primera letra y un número. Cada instrumento en un lazo tiene asignado a él el
mismo número de lazo y, en caso de una numeración paralela, la misma primera letra. Cada lazo de instrumentos tiene un
único número de identificación de lazo. Un instrumento común a dos o más lazos podría cargar la identificación del lazo al
cual se le considere predominante.
La numeración de los lazos puede ser paralela o serial. La numeración paralela involucra el inicio de una secuencia
numérica para cada primera letra nueva, por ejemplo: TIC-100, FRC-100, LIC-100, AL-100, etc. La numeración serial
involucra el uso de secuencias simples de números para proyectar amplias secciones. Una secuencia de numeración de un
lazo puede realizarse con uno o cualquier otro número conveniente, tal como 001, 301 o 1201. El número puede
incorporarse al código de operación; de cualquier manera su uso es recomendado.
Si un lazo dado tiene más de un instrumento con el mismo identificador funcional, un sufijo puede ser añadido al
número del lazo, por ejemplo: FV-2A, FV-2B, FV-2C, etc., o TE-25-1, TE-25-2, etc. Esto puede ser más conveniente o lógico
en un instante dado para designar un par de transmisores de flujo, por ejemplo, como FT-2 y FT-3 en vez de FT-2A y FT-2B.
Los sufijos pueden ser asignados de acuerdo a los siguientes puntos:
Se pueden usar sufijos tales como A, B, C, etc.
Para un instrumento tal como un multipunto que registra los números por puntos de identificación, el elemento
primario puede ser numerado TE-25-1, TE-25-2, TE-25-3, etc., correspondiendo al punto de identificación del número.
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Las subdivisiones de un lazo pueden ser designadas serialmente alternadas con letras como sufijos y números.
Un instrumento que desempeña dos o más funciones puede ser designado por todas sus funciones, por ejemplo un
registrador de flujo FR-2 con una presión PR-4 puede ser designada FR-2/PR-4. Y dos registradores de presión pueden ser
PR-7/8, y una ventana como anunciador común para alarmas de altas y bajas temperaturas puede ser TAHL-21.
Los accesorios de instrumentación tales como medidores de presión, equipo de aire, etc., que no están explícitamente
mostrados en un diagrama, pero que necesitan una designación para otros propósitos pueden ser etiquetados
individualmente de acuerdo a sus funciones y podría usarse la misma identificación del lazo como estos sirven directamente
al lazo. La aplicación de una designación no implica que el accesorio deba ser mostrado en el diagrama. Alternativamente
los instrumentos pueden ser usados con el mismo número de etiqueta con el cual ha sido asociado el instrumento, pero
aclarando las palabras agregadas.
Las reglas para la identificación del lazo no necesitan ser aplicados a los instrumentos y accesorios. Un usuario u
operador puede identificar a estos por otros medios.
Nomenclatura de Instrumentos
La siguiente tabla muestra las diferentes letras que se utilizan para clasificar los diferentes tipos de instrumentos.
1° Letra 2° Letra
Variable
medida(3)
Letra de
Modificación
Función de
lectura pasiva
Función de Salida Letra de Modificación
A. Análisis (4) Alarma
B. Llama
(quemador)
Libre (1) Libre (1) Libre (1)
C.
Conductividad
Control
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D. Densidad o
Peso especifico
Diferencial (3)
E. Tensión
(Fem.)
Elemento
Primario
F. Caudal Relación (3)
G. Calibre Vidrio (8)
H. Manual Alto (6)(13)(14)
I. Corriente
Eléctrica
Indicación o
indicador (9)
J. Potencia Exploración (6)
K. Tiempo Estación de Control
L. Nivel Luz Piloto (10) Bajo (6)(13)(14)
M. Humedad Medio o intermedio (6)(13)
N. Libre(1) Libre Libre Libre
O. Libre(1) Orificio
P. Presión o
vacío
Punto de prueba
Q. Cantidad Integración (3)
R. Radiactividad Registro
S. Velocidad o
frecuencia
Seguridad (7) Interruptor
T. Temperatura Transmisión o transmisor
U. Multivariable
(5)
Multifunción (11) Multifunción (11) Multifunción (11)
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V. Viscosidad Válvula
W. Peso o
Fuerza
Vaina
X. Sin clasificar
(2)
Sin clasificar Sin clasificar Sin clasificar
Y. Libre(1) Relé o compensador (12) Sin clasificar
Z. Posición Elemento final de control sin clasificar
1) Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto
letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la
letra N puede representar como primera letra el modelo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio.
2) La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilizan solo una vez o un número
limitado de veces. Se recomienda que su significado figura en el exterior del círculo de identificación del instrumento.
Ejemplo XR-3 Registrador de Vibración.
3) Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (interpretación) o
cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable medida. Por
ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura,
respectivamente.
4) La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que no están cubiertos por una
letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso.
5) El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera letra, es opcional.
6) El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es preferible pero
opcional.
7) El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra
condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). Por este motivo, una válvula autorreguladora de
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presión que regula la presión de salida de un sistema mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe se PCV,
pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de emergencia, se designa PSV. La designación PSV se
aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en
cuenta las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad,
válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio.
8) La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporciona una visión directa no calibrada del
proceso.
9) La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso, No se aplica a la escala de ajuste manual de
la variable si no hay indicación de ésta.
10)Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva
I. Por ejemplo, una luz piloto que indica un periodo de tiempo terminado se designara KI. Sin embargo, si se desea
identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma o bien
alternativamente por una letra única I. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor eléctrico puede
identificarse. EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensión, o bien XL. Suponiendo que la luz es
excitada por los contactos eléctricos auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L.
11)El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras es opcional.
12)Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del
instrumento cuando sea conveniente hacerlo así.
13)Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal
a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor
de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor
bajo.
14)Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre apertura, se definen como
sigue:
Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa.
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Bajo: Denota que se acerca o esta en la posición completamente cerrada.
Símbolos de Líneas
La sismología de líneas representa la información única y critica de los diagramas de instrumentación y tuberías. Las
líneas indican la forma en que se interconectan los diferentes instrumentos así como las tuberías dentro de un lazo de
control.
Las líneas pueden indicar diferentes tipos de señales como son neumáticas, eléctricas, ópticas, señales digitales,
ondas de radio etc.
Conexión a proceso, enlace mecánico, o alimentación de
instrumentos.
Señal indefinida
ó
E.U.
Internacional
Señal Eléctrica
Señal Hidráulica
Señal Neumática
Señal electromagnética o sónica (guiada)
Señal electromagnética o sónica (no guiada)
Señal neumática binaria
ó Señal eléctrica binaria
Tubo capilar
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Enlace de sistema interno (software o enlace de información)
Enlace mecánico
Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación (o bien de purga de fluidos):
AS Alimentación de aire.
ES Alimentación eléctrica.
GS Alimentación de gas.
HS Alimentación hidráulica.
NS Alimentación de nitrógeno.
SS Alimentación de vapor.
WS Alimentación de agua.
Símbolos de Válvulas y Actuadores
VÁLVULAS
Símbolos para válvulas de control
Globo, compuertas
data u otra Ángulo
Mariposa
Obturador rotativo o
válvula de bola
Tres vías Cuatro vías
Globo
Diafragma
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ACTUADORES
Símbolos para actuadores.
Diafragma con muelle
Diafragma con muelle, posicionador y
válvula piloto y válvula que presuriza el
diafragma al
Actuar.
Preferido Opcional
MOTOR ROTATIVO
Cilindro sin posicionador u otro piloto
Simple acción Doble acción
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Preferido para cualquier
cilindro
Actuador manualElectro hidráulico
Solenoide
Para Válvula de alivio
o de seguridad
Acción del actuador en caso de fallo de aire (o de potencia)
Abre en fallo
Cierra en falloAbre en fallo a vía A-C
Abre en fallo a vías A-C
y D-B
Se bloquea en fallo
Posición
indeterminada en fallo
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LECTURA DE UN LAZO SIMPLE
Es posible obtener gran información con solo observar el Diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID's). Para este
ejemplo tenemos por ejemplo, para el lazo que se presenta tenemos un numero de identificación (TAG) 301. Con este
numero y la primer letra identificadora T para temperatura puede determinarse que el propósito primario para este lazo es la
medición y control de temperatura de un intercambiador de calor. Los instrumentos en el lazo incluyen un transmisor de
temperatura, un controlador y una válvula. Cada una de estas funciones son designadas por la segunda o tercer letra en la
identificación.
Al observar el símbolo del transmisor nos revela que esta mondado en campo, esto se asume debido a que no tiene
una línea dentro del círculo. La línea que contiene las X's nos indica que el transmisor esta conectado al proceso por medio
de un tubo capilar. La línea punteada indica que la señal del transmisor hacia el controlador es de tipo eléctrica. La línea
dentro del círculo del controlador indica que este instrumento esta situado en un tablero.
La señal eléctrica desde el controlador es recibida por un transductor que convierte la señal. Este a su vez manda
una señal al elemento final que es una válvula, que al observar la posición de la flecha nos indica que si la válvula pierde la
señal automáticamente se cerrara la válvula.
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Diagramas de lazos de instrumentación
Los diagramas de instrumentación del proceso o diagramas de instrumentación y tuberías (P&ID's) son una buena
fuente de información incluyendo todas las variables del proceso en el sistema como también la información de cada uno
de los instrumentos en los lazos.
Cuando se necesita una mas información especifica y detallada es necesario utilizar otros tipos de diagramas como
es un diagrama de lazo de instrumentación. El diagrama de lazo nos permite una mejor comprensión de cómo opera el lazo.
Esta información nos permite identificar las conexiones entre los dispositivos, la acción de los componentes y las
rutas de comunicación.
El contenido del diagrama de lazo esta compuesto por la representación de la información del lazo de
instrumentación. Este contiene toda la información de las conexiones eléctricas y de tuberías asociadas. Todas las
interconexiones de punto a punto están identificadas por medio de números o códigos de colores para identificar los
conductores, multitubos neumáticos, y los tubos neumáticos e hidráulicos. Sumado a esto el diagrama nos puede indicar
información de gran ayuda para identificar información especial como características especiales, funciones de apagado de
seguridad y circuitos de seguridad. Suministros de energía, fuentes de energía, suministro de aire, suministro de fluido
hidráulico, tensión, presión o cualquier parámetro aplicable.
SECCIONES
Área de proceso de campo (Field Process Área)
La sección de arrea de proceso de campo, muestra los instrumentos montados en campo. Si se compara el Diagrama
de instrumentación y tuberías (P&ID´s) de un sistema con el diagrama de lazo de instrumentación, se podrá interpretar el
lugar en que están ubicados los instrumentos ya que aparecen los mismos símbolos.
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Empalmes o Conexiones de campo (Field Junction)
La sección de empalme de campo nos muestra las cajas de empalme o conexión para el lazo. Las cajas de conexión
son los puntos intermedios de conexión entre las líneas de señal. Por lo regular estos no son mostrados en los P&ID's
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Panel trasero (Rear Panel)
La sección del panel trasero nos muestra lo ubicación de los instrumentos o conexiones que están localizados en la
parte trasera del panel.
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Panel Frontal (Panel Front)
La sección del panel frontal muestra la ubicación de los instrumentos montados en el tablero.
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Identificación de los símbolos para la conexión y puerto de un instrumento.
A B
En esta sección de diagrama de lazo se representan las conexiones o puertos del instrumento. El tipo de señal de
línea nos indica que es un lazo neumático. En este tipo de lazos el símbolo para la conexión del instrumento es un grupo de
cuadrados unidos verticalmente pegados a un círculo de instrumentación. En el ejemplo A se representa un transmisor de
flujo (FT-301) y en el B se representa un controlador indicador de flujo (FIC-301).
El símbolo del puerto del instrumento indica como esta conectado el dispositivo hacia la línea de señal o la fuente de
suministro. Es esencial el poder localizar este tipo de conexiones para poder rastrear posibles problemas en el lazo. Las
letras en los cuadrados indican el tipo de conexiones. Para este caso el transmisor de flujo tiene dos conexiones. La letra S
indica que el puerto es un puerto de suministro (supply port). La letra O nos señala que es un puerto de salida (outlet port).
Usualmente el suministro para los instrumentos neumáticos es de 20 psi.
El controlador de flujo tiene tres puertos de conexión. Etiquetados como I, O y S. La I y la O corresponde a entrada y
salida respectivamente (in and out), mientras la S significa suministro de aire.
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Los controladores electrónicos contienen una conexión positiva y negativa y la polaridad debe tomarse en cuenta al
conectarlos. Las letras de identificación sin definidas por el fabricante o por la facilidad.
Descripción de las cajas de conexión y su identificación
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Las cajas de conexión de campo son los puntos auxiliares de conexión para las líneas de señal. En un diagrama de
lazo estas se encuentran usualmente en la sección de la caja de conexión de campo y en la sección del panel trasero.
El símbolo para la caja de conexión de campo se compone por un grupo de cuadrados conectados verticalmente que
indican los puntos de conexión. En el cuadro superior contiene las letras JB (junction box) y un número de identificación. Para
los ejemplos las cajas de conexión están etiquetadas como JB 100 y JB 200. Cada cuadro adicional en una caja de conexión
deberá contener un número. Los números son designados por la facilidad de interpretación y son puntos específicos de
conexión en los instrumentos. Los números que aparecen en las cajas son idénticos a los números de los instrumentos. El
numero de cuadros nos indica las conexiones disponibles en la caja, si algún cuadro no tuviera numero esto indicaría que
esta sin usar ese punto de conexión.
Identificación del símbolo para el suministro de energía del lazo.
Los diagramas de lazo también nos proveen la información acerca del suministro de energía del lazo. En un lazo
neumático, el suministro de energía esta representado por las letras AS (Air Supply) seguido por la cantidad de presión
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requerida para la operación del instrumento. Esta información esta conectada por una línea sólida hacia el instrumento. En
las figuras se muestra un suministro de energía de 20 psig.
Identificación del punto de ajuste (set-point) y del rango de operación del instrumento.
Por medio del diagrama de lazo de instrumentación se puede identificar el punto de ajuste y rango de operación de
los instrumentos.
Para la información acerca del rango de operación del instrumento se localiza dentro de un rectángulo horizontal
cerca del instrumento, al que se esta haciendo referencia, mientras que la información acerca del punto de ajuste o set point
se muestra en un rombo ubicado cerca del controlador.
Identificación e Interpretación del símbolo de acción de control.
Otra importante información en el saber como responden los instrumentos. La acción de control es mostrada por
medio de una flecha apuntando hacia a arriba o hacia abajo. La flecha esta localizada cerca del símbolo del instrumento o
abajo del rectángulo que contiene la información sobre el rango de operación del instrumento.
La flecha indicando hacia arriba indica que el al incrementarse el valor de la señal de entrada aumenta el valor de la
salida también aumenta. Cuando la flecha apunta hacia abajo funciona de forma contraria, el valor de la salida disminuye
mientras el valor de entrada aumenta.
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Lazos Electrónicos
Interpretación de los lazos electrónicos por medio de los símbolos de instrumentación
Una de las ventajas de los diagramas de lazo es el poder hacer un seguimiento lógico a través del lazo. Por lo regular
el punto de inicio para leer un diagrama es por el lado izquierdo, el propósito es poder encontrar el elemento primario. Por
ejemplo el siguiente ejemplo se refiere a un lazo diseñado para la medición del flujo por medio de una placa de orificio.
El transmisor etiquetado como FT-101 sensa y mide la diferencia de presión causada por la restricción de la placa de
orificio. El transmisor también produce una señal que representa esta caída, la cual es proporcional al flujo promedio.
Los puntos de conexión del transmisor son terminales eléctricas. Los signos positivo y negativo indican la polaridad de
las terminales. Este transmisor transmite una señal de 4 a 20 mA. La flecha apuntando hacia arriba nos indica que es un
instrumento que actúa directamente. El ovalo alrededor de las líneas de señal indica que esta blindada la señal para evitar
interferencia eléctrica que pueda ocasionar una lectura errónea en los indicadores.
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La señal del transmisor pasa a trabes de 3 cajas de conexión. Estas están ubicadas en el área del campo de proceso,
en el área de campo de conexión y en la sección del panel trasero.
Las cajas de conexión están mostradas en grupos de cuadros conectados verticalmente, etiquetadas con JB y con un
número de identificación en la parte superior. EN este lazo las etiquetas de las cajas son JB300, JB400 y JB500. Los números
dentro de los cuadros corresponden a los puntos de conexión. Las notas en el diagrama indican información específica el
número de cable. Por ejemplo el cable 10 entra en JB400 y el cable 30 sale desde JB400.
Utilizando la siguiente figura podemos observar que en el punto 22, el cable no. 1 va desde ese punto hasta el punto
de conexión 8 el cual es mostrado en la sección frontal del panel.
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En el punto 1 y 2 se puede observar que existe un suministro de energía eléctrica ES (electrical supply) y a su vez se
indica la tensión y frecuencia del suministro. Por ultimo observando el rectángulo podemos decir que el controlador indicador
de flujo FIC-101 convierte la señal eléctrica recibida a galones por minuto.
Lazos Neumáticos
Los diagramas de lazo están organizados de tal forma que puedan ser leídos indiferentemente de la fuente de
suministro. Los diagramas lazos neumáticos sin similares a los lazos electrónicos. La mayoría si no es que todos utilizan el
mismo tipo de simbología. A continuación se muestra un ejemplo.
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Interpretación de los lazos neumáticos por medio de los símbolos de instrumentación
La información general se presenta en el titulo del dibujo mientras que las notas están en la parte inferior. Como en
los lazos electrónicos, la información se lee generalmente de izquierda a derecha.
En este caso el elemento primario del lazo es un orificio, este esta instalado en una tubería de 1 1/2 de pulgada. La
identificación así como el radio están indicados en el dibujo. El material del proceso es agua. El transmisor, etiquetado como
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FT-301 tiene dos terminales de conexión, etiquetadas como S para suministro y O para el puerto de salida. El rango de
operación del instrumento es de 0 a 100" H2O, lo cual esta indicado en el rectángulo horizontal cercano al instrumento. El
suministro de aire es de 20 psig. La flecha apuntando hacia arriba nos indica que es un transmisor que actúa directamente,
esto es, si aumenta la señal de salida, la señal de entrada también aumenta.
La señal neumática del transmisor pasa a través de una caja de empalme que esta montada en campo (JB 100), del
punto 1 continua a la caja JB-200 que esta situada en la parte posterior del panel. Cabe señalar que las cajas de empalme o
conexión para los lazos neumáticos son cuadrados unidos verticalmente tales como los usados en los lazos electrónicos.
La notación de la línea de identificación adyacente al JB100, indica que la línea es un tubo del no.28. Esta línea en
particular es designada como 28-1, que quiere decir que es el primer tubo de la línea 28. De JB200 va conectada a la parte
posterior del panel, los tubos están conectados a los cuadros correspondientes al extractor etiquetado como FY-301. Este
último tiene un suministro de aire.
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De el extractor FY-301 la señal tiene dos ramificaciones, Es necesario seguir estas dos hasta llegar a la señal de línea
principal. La primer ramificación se conecta a la entrada de un registrados etiquetado como FR-301. La segunda se controla
a la entrada de un controlador designado como FIC-301. Este tiene un punto de ajuste de 80 gpm que es visto en el rombo
cerca del controlador mientras que la flecha apuntando hacia abajo indica que actúa inversamente. En el rectángulo
horizontal se muestra el rango de operación que es de 0 a 100 gpm. La salida del controlador es representada como 28-2.
Los dos instrumentos tanto el registrador como el controlador tienen un suministro de aire de 20 psig.
Utilizando como referencia la figura inicial de los lazos neumáticos, se puede observar que la salida del controlador va
conectada al elemento final el cual es una válvula actuador con diafragma. Cuando el elemento final recibe una señal del
controlador, la válvula ajusta el flujo para mantener el valor del punto de ajuste.
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AUTOMATIZACION INDUSTRIAL
Objetivo
Proporcionar información básica sobre los distintos elementos que conforman la automatización industrial que se
observa más comúnmente en nuestro medio.
La Automatización es un técnica interdisciplinaria, y por ello se proporcionan datos y tablas en Electricidad,
Electrónica, Neumática, Hidráulica y, en Mecánica.
Estos apuntes en Automatización comenzaron en 1994, como notas para Curso del mismo nombre, impartido a los
alumnos de la carrera de Mantenimiento Industrial del Colegio Nacional Profesional de Educación Técnica (CONALEP). Pero se
han mejorado, con las notas y figuras que poco a poco me han proporcionado algunas compañías, a las que agradezco su
colaboración.
Neumática
En estos apuntes consideramos la Neumática como la parte de la Física que trata del aire comprimido. No obstante,
muchas de las aplicaciones que se mencionan pueden ser aplicadas a otros fluidos comprimibles. Ejemplos: Nitrógeno,
Vapor, etc.
Como punto de partida, debemos tomar en cuenta el rango de presiones que se utilizan en los componentes
neumáticos: la presión máxima empleada en neumática es de 12.5 bares y, que en aplicaciones normales, la presión oscila
entre 4 y 6 bares. Asimismo, la presión de vacío máxima empleada es de -0.5 bar.
En nuestro país se emplean las siguientes unidades de presión; psi = libras por pulgada cuadrada y los bares o su
equivalente aproximado, los kilogramos fuerza por centímetro cuadrado. Aunque el estándar métrico es el MegaPascal
absoluto o MPa, en estos apuntes se encontrarán los bares por ser la unidad métrica de mayor difusión en el mundo.
Como referencia, 1.00 bar = 14.5037 psi = 0.9807 Kg/cm2 = 0.1 Mpa
¿Sabía que una fuga de 1/8" de diámetro en una tubería a 100 psi, descarga al aire 26 pies cúbicos/min (SCFM) de aire?
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¡En sistema métrico, una fuga por un orificio de 1 mm2 a 6 bares, desperdicia 1 litro por segundo!1.0 COMPRESORES Y SOPLADORES
Todos los fluidos son comprimidos en su estado gaseoso y, para ello empleamos compresores o sopladores,
dependiendo del rango de presiones requeridas.
Los compresores pueden ser de dos tipos:
* Compresores de Pistones. Comprimen el aire que entra a la cámara de un cilindro.
* Compresores de Tornillo o de cavidad variable. Comprimen el aire confinándolo en un pasaje cuyo volumen se reduce
gradualmente.
Los sopladores generan presión neumática al poner al fluido en movimiento mediante una fuerza centrífuga elevada.
Un caso especial de soplador son los "ventiladores", en los cuales se establece una pequeña diferencia de presión por
medio de las aspas movidas mecánicamente, para poner de ese modo al aire en movimiento. Es obvio que a mayor
diferencia de presión, mayor volumen de aire y viceversa.
Ejemplos de uso de ventiladores para proveer de presión son los artículos infladles con fines publicitarios o de
diversión que se encuentran en las ferias o eventos deportivos.
En todos los casos, los datos importantes de compra de estos aparatos son el volumen y la presión a manejar. Y,
como ejemplo mencionaremos la capacidad de un compresor muy empleado en industrias zapateras: DeVilBiss, 34.29 m3/h
@ 8.97 bares. El de un soplador es de 400 m3/h @ 0.29 bares y, el de un ventilador industrial es de 3000 m3/h @ 0.0002
bares.
En sistema inglés, un método aproximado de obtener el flujo nominal en SCFM ( Pies Cúbicos por Minuto de aire a
nivel del mar y a 70 F) del compresor es multiplicando por cuatro la potencia en HP del compresor o, usando la fórmula
siguiente:
Qa = Q (Pa/14.7) donde,
Q = Flujo de aire en CFM a la presión P
P = Presión en psig
Pa = Presión convertida a psia (P + 14.7)
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Qa = Flujo de aire en SCFM
Ej. Q = 23 CFM @ 125 psig (@ 150 m s.n.m.)
Qa= 23 (125 + 14.4)/14.7 = 218.1 SCFM
Donde la presión atmosférica por altitud está dada por la tabla:
ALTITUD ft (m) PRESION psi
0 14.69
500 14.42
1000 14.16
1500 13.91
2000 13.66
2500 13.41
3000 13.16
3500 12.92
4000 12.68
4500 12.45
5000 12.22
5500 11.99
6000 11.77
6500 11.55
7000 11.33
7500 11.12
8000 10.91
8500 10.70
9000 10.50
9500 10.30
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10000 10.10
1.1 GENERADORES DE VACIO.
Existen varios métodos para generar una presión de vacío. Los usuales son, por medio de aire comprimido y por
medios mecánicos.
Es conocido el efecto de que al pasar un fluido por un venturi, en el tubo interior de éste se genera un vacío que
puede ser empleado para levantar hojas de papel entre otras aplicaciones. Este generador de vacío como se le conoce, va
acompañado invariablemente de unas ventosas a donde se adhiere el material por transportar.
Por medios mecánicos, el vacío se logra por la succión de un compresor de tipo de pistón o de membrana o, mediante un
soplador que puede ser de paletas, tipo "Roots" o centrífugo. Ejemplo de éstos últimos es una aspiradora casera.
1.2 UNIDADES DE PREPARACION DEL AIRE COMPRIMIDO
El aire comprimido como cualquier gas requiere ser conducido para que sea aprovechado. En las tuberías de
conducción, el aire perderá parte de su presión por efecto de la fricción contra el tubo.
Es importante notar que la pérdida total de presión en las tuberías nunca debe ser mayor al 5% de la presión total del
aire comprimido. Midiendo entre la salida del compresor y el punto de utilización.
En casos de una instalación simple sirve la siguiente tabla para calcular el diámetro de la tubería de acuerdo con el
gasto de aire requerido
l/s SCFM DIAMETRO
3 7 3/8
5 11 1/2
10 21 3/4
17 35 1
34 70 1 1/4
50 110 1 1/2
115 250 2
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200 425 2 1/2
330 700 3
500 1100 4
900 1900 5
Existen nomogramas para calcular los diámetros adecuados de tuberías de acuerdo con el volumen de aire a emplear.
Ver Ilustraciones #1.2.
Ej.:
En un taller mecánico se tienen 3 llaves de impacto de un consumo de 12.8 l/s c/u. Cual es un compresor adecuado
para suministrar el aire a una presión de 6 bar. ¿Y, cual será el diámetro de la tubería si se encuentran a 75 m de distancia?
b) Los datos de entrada en el nomograma son:
P = 6 bar
Q = 12.8 * 3 = 38.4 l/s (aire libre)
L = 75 m
DP = 0.3 bar (5% de P)
Cruzando las líneas se encuentra que el diámetro interno para la tubería cumpliendo con los requisitos anteriores es
de 25 mm
Si la tubería tiene 20 codos de 90° y 2 válvulas de compuerta. ¿Cual será el largo corregido? ¿Y cuál será entonces el
diámetro a emplear de tubería?
R: a) Los 20 codos tienen para el diámetro interior de 25 mm, una longitud equivalente de 20 * 0.4 = 8 m.
Asimismo, las 4 válvulas de compuerta de diámetro interior de 25 mm, equivalen a 4 * 0.3 = 1.2 metros.
Por lo que el largo corregido es de
75 + 8 + 1.2 = 84.2 m
b) Los datos de entrada en el nomograma son:
P = 6 bar
Q = 38.4 l/s (aire libre)
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L = 84.2 m
dP= 0.3 bar (5% de P)
Cruzando las líneas se encuentra que el diámetro interno para la tubería cumpliendo con los requisitos anteriores es de 25
mm
Además, es muy raro encontrar una aplicación donde el aire se emplee tal como sale de la tubería. Por ejemplo, el
agua corroe las tuberías, destruye el acabado de las pinturas y contamina la comida. Pero, algunas aplicaciones requieren
aire más limpio que otras; por ejemplo, las industrias alimenticias requieren aire miles de veces más limpio que el que se
emplea en herramientas.
Todos los gases obtenidos a partir del aire atmosférico, contienen un volumen de agua que depende de la humedad
ambiente, la cual puede ser de 0.00385 g/l en lugares secos, hasta de unos 0.06 g/l en lugares húmedos, por lo que esos
gases deben ser secados antes de utilizarse. El método más apropiado es aquel que reduce el punto de rocío a una
temperatura que sea más baja que la más baja encontrada en el sistema. Refrigeración o el uso de desecadores químicos
son los métodos más usuales. Siendo éste último el método que entrega el aire más seco.
Además que pueden contener un porcentaje de partículas sólidas, que también deben ser removidas. Por ejemplo, en
una ciudad se pueden encontrar hasta 140 millones de partículas por metro cúbico de aire, de las cuales el 80% son
menores de 2 micras y pueden pasar por el filtro de entrada del compresor. Existen filtros que no dejan pasar hasta 1 micra.
Con los compresores modernos de lubricación por aceite es inevitable que el aire comprimido contenga algo de
aceite, lo cual depende enteramente del estado del compresor y de su separador.
Como ejemplo un compresor de tornillo con buen mantenimiento no permitirá más de unas 4 partes por millón. Con
un buen filtro coalescente, éste contenido puede ser bajado a 0.01 partes por millón, y además del aceite no permite el paso
a partículas sólidas.
Ejemplos de limpieza del aire de acuerdo con su aplicación:
APLICACION
Partículas Sólidas Aceite Agua
um mg/m3
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* buceo. <0.3 < 0.1 < 1
* cabina de pintado <20 < 1 < 1
* herramientas neumáticas <20 < 25 < 5
Además, los distintos componentes móviles utilizados en Neumática deben ser lubricados con aceite SAE 10 sin
aditivos, para que puedan operar durante una larga vida, excepto donde pueda ser perjudicial al producto. Ejemplo: Industria
Alimenticia.
Debe notarse que en los equipos operados por vacío, también son necesarios filtros para alargar la vida de las
válvulas que lo controlan.
1.3 SIMBOLOGIA NEUMATICA.
Ver Ilustración #1.3 para conocer la simbología de los distintos componentes, y la explicación para las válvulas del punto
1.5.
1.4 MANDOS
Los mandos de un sistema neumático pueden ser totalmente neumáticos y, consistir en botones pulsadores o
selectores que actúan sobre una pequeña válvula piloto.
Físicamente, son idénticos a los botones pulsadores que se usan en sistemas eléctricos. O, pueden ser los botones de
acción eléctrica los que a su vez activen las solenoides de las electro válvulas.
1.5 VALVULAS
Las válvulas de control se catalogan por el número de puertos en su cuerpo y por el número de posiciones que tienen
fijas.
Ejemplo: Una válvula 5/3 indica 5 puertos o conexiones en el cuerpo de la válvula y 3, que puede tener tres posiciones
estables mediante sus actuadores.
Los puertos pueden ser de diferentes diámetros, que van relacionados con la cantidad de aire que pueden dejar
pasar. A mayor diámetro, pasa más volumen de aire comprimido.
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Específicamente, el dato de Cv o Qn de la válvula nos indica cuantitativamente la cantidad de aire que puede pasar
con una pérdida de presión unitaria.
Qn es el caudal nominal normal y se entiende como el caudal de aire libre o normal en litros/min que atraviesa la
válvula con una presión de entrada de 6 bar (7 bar absolutos) y una pérdida de carga de 1 bar a una temperatura de 20 C.
Cv textualmente quiere decir coeficiente de velocidad y, por definición es el caudal de agua a 15.5 °C en galones por minuto
que pasa a través de la válvula, cuando la caída de presión en la misma es de 1 psi.
El factor de conversión entre ambos es de 1000 l/min (Qn) = 1.016 gal/min (Cv).
Es algunas veces útil convertir el Cv a SCFM (Pies Cúbicos de Aire a nivel del Mar y a 70F), y para ello se tiene los
factores aproximados siguientes:
PSI del Aire 40 50 60 70
Factor 0.0370 0.0312 0.0270 0.0238
80 90 100
0.0212 0.0192 0.0177
Las válvulas pueden ser actuadas mediante aire, electricidad y mecánicamente. A las primeras se les denomina
"piloteadas", por emplear válvulas piloto de aire.
La representación esquemática de las válvulas es como sigue:
- Las posiciones de las válvulas se representan por medio de cuadros.
- La cantidad de cuadros indica la cantidad de posiciones.
Las líneas representan tuberías o conductos, las flechas el sentido de la circulación del fluido.
- Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales.
- La unión de tuberías se esquematiza mediante un punto de unión.
- Las conexiones de entrada y salida se representan mediante trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición inicial.
- La o las otras posiciones se obtienen desplazando lateralmente los cuadros, hasta que las posiciones coincidan.
- Las conexiones de las válvulas se identifican por medio de letras mayúsculas
CONDUCTOS DE TRABAJO A, B, C
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ENTRADA DE PRESION P
SALIDA O ESCAPE R, S, T
TUBERIAS DE PILOTAJE E, Y, X
1.6 CILINDROS
Los cilindros neumáticos son empleados donde se requiere de fuerza y de rapidez en efectuar dicha acción pero, no
donde se requiera control exacto de la trayectoria del movimiento. Esto debido a que los gases son compresibles.
Existen diversos tipos de cilindros según su aplicación:
* Cilindros de un vástago
* Cilindros de dos vástagos
* Cilindros sin vástago
* Cilindro Tándem
* Cilindros Giratorios
* Cilindros de Membrana
* Cilindros de émbolos múltiples
Los cilindros sin vástago se emplean en posicionadores por su limpieza y el poco espacio que ocupan. De éstos hay
dos tipos, los que se mueven mediante un acoplamiento magnético y los que tienen un accionamiento directo.
Los cilindros de Membrana, son parecidos a una cámara de neumático, que empujan al ser llenados de aire.
Los cilindros de émbolos múltiples sirven para obtener hasta cuatro veces (con cuatro émbolos) la fuerza que se
pudiera obtener de un cilindro normal. Aunque la desventaja es que son bastantes veces más largos que aquellos últimos.
Todos los cilindros siguen la fórmula básica de presión, y con ella se pueden calcular los diámetros básicos. Aunque se
debe considerar que la fricción estática de un cilindro poco lubricado puede ser muy elevada y, que se debe tomar en cuenta
un margen de seguridad para que nunca falle el cilindro en la operación diseñada.
Ejemplo: Se requiere obtener una fuerza de 100 kg de empuje con un cilindro de 50 mm de diámetro. ¿Qué presión es
necesaria para lograr esta fuerza? ¿Y cuál será la fuerza de retorno si el vástago tiene un diámetro de 13 mm?
R: a) P = F/A
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P = 100 / (5 * 5 / 4 * 3.1416)
P = 5.09 Kg / cm2
b) F = P * (A - a)
F = 5.09 * ((5 * 5 * 3.14 / 4) - (1.3 * 1.3 * 3.14 / 4))
F = 93.24 Kg
1.7 MOTORES.
En lugares de ambientes explosivos o donde se requiere de altas velocidades y de un riesgo mínimo al atascarse la
herramienta, se emplean los motores neumáticos.
Todos estamos familiarizados con las herramientas de impacto de los talleres mecánicos, y con el taladro de los
dentistas; todos ellos emplean motores de esta índole.
Es característico de estos equipos que sin carga tomen una velocidad muy alta y que consuman mucho aire, y que
conforme toman carga, tanto la velocidad como el consumo bajen.
Por lo general, se emplean reductores de velocidad directamente acoplados a los motores neumáticos para obtener
trabajo útil.
1.8 SECUENCIADORES
En máquinas completamente neumáticas, los mecanismos son programados al momento del diseño (no son
posteriormente programables) mediante una secuencia neumática.
Estos secuenciadores funcionan a base de comparadores lógicos que actúan sobre elementos de memoria
neumáticos para lograr cualquier secuencia.
En las fábricas de calzado existen algunas aplicaciones de estas máquinas.
En realidad, son muy fáciles de entender y de arreglar cuando requieren servicio, ya que no son otra cosa que
válvulas autopiloteadas.
Existe en el mercado muy buena información al respecto editada por la compañía Schrader Bellows - Parker.
1.9 APLICACIONES VARIAS
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Entre las aplicaciones comunes están los Platos Divisores y las prensas de sujeción de los talleres mecánicos.
Además, en troqueladoras, se emplea el avance del material por medios neumáticos.
1.9A ENFRIAMIENTO.
Una aplicación del aire comprimido es la de enfriar un gabinete de control. Para ello se emplea lo que se llama un
tubo "vortex" o tubo Hilsch, el cual funciona de la siguiente manera: el aire comprimido es pasado a través de unas toberas
que son tangentes a un orificio interno. Estas toberas hacen que el aire forme un vórtice, de ahí el nombre. La corriente del
aire girando pasa por encima de sí mismo y sale de un lado caliente y del otro frío. Hasta -40 C pueden obtenerse de esta
manera.
1.9B CORTINA DE AIRE.
Una cortina de aire es una aplicación poco común pero muy eficiente para secar o limpiar partes en una banda móvil. La
cortina de aire funciona imprimiendo gran velocidad al aire que escapa de una tobera lineal pero muy delgada, con lo que el
aire circundante también se adhiere a la corriente formando literalmente una cortina.
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Hidráulica
2.1 BOMBAS
Los cuatro diseños más comunes de bombas hidráulicas son: de paletas, de engranes, de émbolos y del tipo Gerotor. Todos ellos sirven en los circuitos hidráulicos comunes,
siendo la de émbolos la que particularmente se emplea en sistemas de alta presión.
En circuitos que emplean motores donde la variación de velocidad y la reversibilidad sean requisitos de operación, las bombas de desplazamiento variable son una necesidad.
Por regla general, la potencia para mover una bomba hidráulica que proporciona un caudal (GPM) a cierta presión (PSI) viene dada por la expresión
HP = (Galones/Min) X (Presión en PSI de ajuste) / 1714
2.2 CILINDROS
Los cilindros hidráulicos son empleados donde se requiere de gran fuerza en poco espacio (las presiones son de 50 bar o más), y donde se requiera control exacto de la trayectoria
del movimiento, ya que los cilindros se pueden detener en cualquier posición.
Existen diversos tipos de cilindros según su aplicación:
* Cilindros de un vástago
* Cilindros de dos vástagos
* Cilindro Tándem
Para evitar que se deformen los vástagos de los cilindros que son muy largos, se usa un separador sobre el mismo vástago que impide que el émbolo se recorra hasta la tapa. Este
separador lleva en inglés el nombre de "stop tube" por la función que realiza.
2.3 VALVULAS
Las válvulas hidráulicas se catalogan al igual que las neumáticas por el número de puertos en su cuerpo y por el número de posiciones que tienen fijas.
Ejemplo: Una válvula 5/3 indica 5 puertos o conexiones en el cuerpo de la válvula y 3, que puede tener tres posiciones estables mediante sus actuadores.
Las válvulas pueden ser actuadas mediante aire, aceite, electricidad y mecánicamente. A los primeros tipos se les denomina "piloteadas", por emplear válvulas piloto.
Existen válvulas de tipo llamado proporcional en donde no existen posiciones fijas y que sirven para servomecanismos, ya que se puede regular entre posiciones infinitas el flujo
mediante la acción concertada de los actuadores eléctricos. Como referencia para su empleo, existe un curso en la compañía Festo denominado "Hidráulica Proporcional".
Al igual que las válvulas neumáticas, se encuentran preferentemente en bloques o cabezales, en tamaños de bases estándares.
Además de las aplicaciones industriales de estos componentes, no hay que olvidar que por construcción y costo, las válvulas empleadas en la llamada hidráulica móvil
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(maquinaria de movimiento de tierras) son más robustas y económicas para actuarse manualmente.
2.3A VALVULA DE ALIVIO.
En cualquier sistema hidráulico, esta válvula es imprescindible, ya que por ser las bombas hidráulicas del tipo de desplazamiento positivo, se podría obtener teóricamente
cualquier presión hasta que alguna parte del sistema fallara por fuga interna (bomba) o fuga hacia el exterior (conducto).
Una vez ajustada en un valor, cada vez que el sistema no requiera aceite, la válvula operará abriendo un pasaje al tanque.
2.3B VALVULAS DE CONTRABALANCE.
Entre las válvulas que no existen en Neumática, se encuentran éstas, cuya aplicación principal es para evitar que un cilindro hidráulico que se emplea para levantar alguna carga
se venga abajo por rotura o fuga de alguna manguera.
Su funcionamiento es sencillo, ya trabajan como válvulas "check" piloteadas por la presión del lado opuesto del cilindro.
2.3C VALVULAS DE DESACELERACION.
Cuando un cilindro llega a una posición donde es preferible reducir su velocidad para que llegue lentamente a su posición final, se emplea este tipo de válvula estranguladora del
flujo.
2.3D VALVULAS DIRECCIONALES (3/2 y 5/3) DE CENTRO TANDEM.
Se llaman de esta manera a las válvulas que en su posición central permiten el paso del flujo de la bomba hacia el tanque, no permitiendo ninguna comunicación con las puertas A
y B; De esta manera, si se está controlando un cilindro hidráulico, el cilindro no se podrá mover cuando la válvula permanezca centrada. Claro, que con el tiempo, sí se va a perder
algo de presión y, posiblemente si se mueva el cilindro.
2.3E VALVULAS DIRECCIONALES (5/3) DE CENTRO ABIERTO.
Estas válvulas sirven para evitar golpes de ariete en circuitos con motores hidráulicos, ya que en su posición intermedia conectan todas las salidas; También, sirven en
aplicaciones donde se requiere el posicionamiento manual de los actuadores.
2.3F VALVULAS DIRECCIONALES (3/2 y 5/3) DE CENTRO CERRADO.
Este tipo de válvula es empleado en circuitos donde se tiene un acumulador con su respectiva válvula de descarga. En operación, el centro no conecta ninguna de las salidas.
2.4 MANDOS
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Los mandos de un sistema hidráulico son por lo general eléctricos o manuales (ver punto 2.2).
2.5 MOTORES.
Los motores hidráulicos ofrecen muy alto par y bajas velocidades por su construcción, además que se pueden controlar perfectamente estas dos condiciones. Esto es, al bajar o
subir la presión, se obtiene un par menor o mayor respectivamente y, proporcionalmente el flujo controla la velocidad.
Los motores por construcción pueden ser de engranes y de pistones. De caudal variable o fijo, y por lo general son reversibles.
2.6 ACUMULADORES.
En las aplicaciones que requieren intermitentemente del fluido hidráulico, es posible especificar la bomba de un tamaño menor, siempre y cuando se conecte al circuito un
acumulador que cuando se requiera mayor flujo de aceite pueda suministrarlo.
2.7 TUBERIAS Y CONEXIONES.
En hidráulica las tuberías galvanizadas no se recomiendan por las escamas de zinc que puedan obstruir las válvulas.
Existe en el mercado una tubería de acero sin costura que se especifica para uso hidráulico. Se le denomina "tubing".
Existe una manera de reconocer las conexiones de mangueras de uso para 3000 psi las conexiones o de uso para 1500 psi de presión de operación. Las primeras tienen una
muesca alrededor de la misma.
2.8 TANQUES.
Los tanques de aceite sirven como recipiente, como desaireadores y además como intercambiadores del calor recogido por el aceite. En caso de no ser suficiente el área de
intercambio con el aire, se adicionan los intercambiadores enfriados por agua o por ventilador.
Como accesorio, es importante al poner en marcha un sistema nuevo, de colocar una trampa magnética (imán) en el tanque, para recoger todas las partículas que se desprendan
de los componentes metálicos.
2.9 FILTROS.
En sistemas hidráulicos, se emplea un filtro de malla gruesa en la succión, lo que no permite el paso de pedazos grandes de suciedad.
En las líneas que van a las válvulas de control, se pueden encontrar filtros de presión, los cuales tienen capacidad de filtrado hasta niveles de submicrones.
Pero, los filtros más usuales, son aquellos colocados tanto en el tapón de llenado del tanque, para evitar toda contaminación externa y, los filtros de retorno, los cuales se
conectan antes de la descarga al tanque. Estos últimos, así como los de presión tienen una válvula que les permite seguir operando cuando se han tapado y, al mismo tiempo
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tienen un indicador de esta condición.
2.10 ACEITE.
La viscosidad del aceite a emplearse depende de la temperatura ambiente de operación del equipo. El aceite deberá ser del tipo con aditivos antiespumantes y no solubles al
agua. Esto último para evitar la corrosión de las partes metálicas.
2.11 APLICACIONES VARIAS
Entre las aplicaciones comunes de la hidráulica están las grandes prensas de extrusión, troquelado y forjado de las fábricas metalmecánicas y, en nuestro medio, las suajadoras y
las máquinas de extrusión de plásticos.
Electricidad
Los componentes eléctricos son los más comunes en todo tipo de industria. En los siguientes puntos comentaremos sobre
aquellos componentes que son necesarios en cualquier sistema de automatización.
3.1 MOTORES
3.1A MOTORES C.A.
Los motores de inducción son los más empleados de todos los tipos, por su poco mantenimiento y robustez.
Entre los diferentes tipos de motores de c.a. que han aparecido en el mercado para variar la velocidad, ninguno ha
sido aceptado por la industria (Ej.: Tipo Vector). Tanto que aún se buscan los motores de rotor devanado para arranques
pesados y un control burdo de velocidad, lo que es suficiente en algunas aplicaciones.
3.1B MOTORES C.D.
Han caído en desuso en nuestro país por la gran difusión de los inversores electrónicos como medio para variar la
velocidad de motores, lo que anteriormente fue reino del motor de c.d. en su totalidad.
Pero, con la llegada de los motores de imán permanente en potencias menores a 3 HP y, de nuevos y baratos
controles de velocidad en c.d., los motores de corriente directa no han podido ser reemplazados de potencias pequeñas.
3.1C SERVOMOTORES
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Esta clase de motores han proliferado en gran medida con la automatización. Ya sea con tacómetro o más aún con
codificador de posición para la retroalimentación de velocidad y/o posición al control electrónico.
En general son de imán permanente para un control preciso del par motor.
3.1D OTROS MOTORES
Existen en el mercado motores llamados de pulso o de paso, con los que se puede controlar posicionamiento sin recurrir a
costosos servo sistemas. Invariablemente requieren un control especial para su funcionamiento.
3.2 CONTROLES DE MOTORES
Entre tantos tipos de controles de motores en el mercado, podemos clasificarlos en varios grandes grupos:
3.2A ARRANCADORES
Un arrancador consiste en la combinación de un contactor y un relevador de sobrecarga conectada entre sí y a una
estación de botones, ya sea remota o local.
En el mercado existen dos tipos de arrancadores para la misma función. Los que siguen las normas NEMA y los de tipo
europeo o IEC.
La diferencia entre ambos es la filosofía de diseño. El NEMA está fabricado para todos los motores que correspondan a
una potencia, y en cambio, el IEC, de acuerdo con el número de arranques y de sobrecargas del motor, se selecciona el
arrancador.
En resumen, el NEMA está fabricado para resistir sobrecargas de un motor que corresponda a la potencia y el IEC
para controlar un motor de uso específico. ¿Costo? El mismo para uso idéntico y con la misma duración aproximada.
3.2B VARIADORES DE C.D.
Por muchos años ha sido empleado este tipo de control, debido a su construcción sencilla, y aplicación sin problemas.
Muchos controles de éstos han sido fabricados para retroalimentación de velocidad por tacómetro.
3.2C INVERSORES
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Con los circuitos integrados de muy alta densidad y semiconductores de potencia baratos, ha sido posible la
fabricación de sistemas de control de velocidad de corriente alterna a precios competitivos con los de c.d.
Existen dos tipos, los de modulación de voltaje (PWM en Inglés) y los de modulación de corriente. Los primeros causan
gran interferencia con otros equipos electrónicos por el gran contenido de armónicas que producen. Los segundos, más
caros, son más eficientes y no causan gran interferencia.
En algunos países están prohibidos los primeros sin un filtro que atenúe las armónicas, lo que posiblemente nos pidan
en unos años aquí en México, ya que como efecto negativo, otros equipos electrónicos conectados en la misma línea, operan
erráticamente.
Estos equipos están diseñados en general para ser conectados a un PLC como control maestro y conectados a un
filtro o a un transformador de aislamiento que baje el nivel del cortocircuito en caso de falla. Esta última recomendación no
se efectúa en muchas fábricas de nuestro medio con la consiguiente destrucción parcial o total del aparato cuando sucede
un cortocircuito entre el control y el motor.
3.2D SERVOCONTROLES
Los servo controles son amplificadores de muy alta ganancia que se retroalimentan con la información proveniente de
los tacómetros de los servomotores.
Estos amplificadores reciben como entrada una señal analógica de un control manual o automático; esto es, de un
potenciómetro o de un PLC por ejemplo.
Su uso es muy específico para lugares donde se requiere exactitud en la velocidad y/o en la posición de una máquina.
Ejemplo: Los servos de las máquinas herramienta de control numérico.
3.3 RELEVADORES DE CONTROL
Gran confusión se tiene en la diferencia entre contactor y relevador de control, debido a la aparente igualdad física de
ambos en ciertas marcas.
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Los relevadores nunca han sido para conectar sistemas de fuerza, y por ello sus contactos no pasan de 9 Amperes
máximos de capacidad.
Además, es peligroso hacer caso omiso de las recomendaciones de uso de los diferentes tipos de relevadores,
especialmente en cuanto al voltaje y corriente de interrupción de los contactos. Ejemplo: Es común observar relevadores tipo
"Schrack" para abrir contactos a 440 volts c.a. (CUIDADO) Solamente pueden usarse en circuitos resistivos en ese voltaje, ya
que tiene el código de aplicación AC11 impreso en la superficie).
Otro ejemplo: En un arrancador Allen-Bradley los contactos auxiliares deben conectarse a la misma polaridad de línea.
3.4 CABLES Y ALAMBRES
Con la apertura comercial de México, se tiene una gama completa de cables a la disposición de las industrias para la
conexión de los diferentes elementos de las máquinas.
Además, al mismo tiempo de la apertura comercial, se implementó un sistema de Verificación privado de
Instalaciones Eléctricas, (El que esto escribe tiene la licencia no. 11020008 para Verificar este tipo de Instalaciones) para que
se cumplan las Normas de Seguridad mínima al manejar la electricidad. Desde Octubre de 1994 México tiene unas normas
para Instalaciones muy parecidas en su contenido a las de los Estados Unidos.
Así, se tiene que todos los motores, tableros y máquinas deben estar firmemente conectadas a tierra mediante cable
y electrodos. Los cables normales (THW) no deben ir colocados en trincheras... Cables de calibres menores al 1/0 no pueden
colocarse directamente en charolas, etc.
3.5 BOTONES Y SEÑALIZACION
Los botones de señalización eléctrica han sufrido un cambio en los últimos años bajo la influencia de las normas
europeas y de los nuevos sistemas electrónicos de control.
El cableado de hace unas décadas debía resistir algunos amperes de corriente y, por ende los contactos de todos los
interruptores. Esto, no es el caso en la mayoría de las máquinas actuales, ya que los PLC y demás controles electrónicos
trabajan con unos cuantos miliamperes a muy bajo voltaje.
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Por lo anterior, existen botones en 22 mm de diámetro que permiten una gama enorme de accesorios de actuación
con la limitante de corriente máxima permitida de unos cuantos Voltamperes. Y, existen los tradicionales botones en 30 mm
de diámetro que ahora decimos de "servicio pesado" para corrientes de varios amperes y hasta 250 volts, aún en c.d.
3.6 CONTROLES ALAMBRADOS
Estos controles han estado presentes desde el inicio de la Electricidad hace 100 años y, aún siguen vigentes en
nuestros días.
En ciertas aplicaciones no hay mejor control ni más barato que el control alambrado. Ej. El control de velocidad sin
retroalimentación de un motor de corriente directa mediante un reóstato de campo.
3.7 SIMBOLOGIA ELECTRICA
En México como en toda el área de influencia norteamericana, se emplea para simbología la norma ANSI para dibujos,
pero en nuestro país también tenemos maquinaria con diagramas hechos bajo la norma europea, que poco a poco está
prevaleciendo sobre la norma americana.
Sensores
Los sensores son tan diversos como los principios físicos en los que se basan.
En la actualidad para medir cualquier variable física tenemos diversos tipos de sensores, con sus ventajas y
desventajas.
Los sensores más comunes y conocidos son los de proximidad física y, con ellos comenzamos estas notas.
En ciertas aplicaciones peligrosas, los micro interruptores que eran a prueba de explosión han sido reemplazados con
gran éxito con los sensores electrónicos de seguridad intrínseca.
La calidad de Seguro Intrínsecamente es para aquel sensor que por potencia disipada o por la corriente eléctrica que
emplea, no puede iniciar un incendio.
4.1 SENSORES DE PROXIMIDAD
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Estos sensores pueden estar basados en algo simple como en la operación mecánica de un actuador o, tan complejo
como en la operación de un sensor de proximidad fotoeléctrico con discriminación de color.
4.1A MICROINTERRUPTORES
Los micro interruptores son de muy diversas formas pero todos se basan en la operación por medio de un actuador
mecánico. Este actuador mecánico mueve a su vez una lengüeta metálica en donde están colocados los contactos eléctricos,
y los abre o cierra de acuerdo con la disposición física de estos contactos.
En las figuras acompañantes se observan algunas de las formas que toman los actuadores mecánicos según su
aplicación.
Desde el punto de vista eléctrico son extremadamente simples, ya que consisten en uno o varios juegos de contactos
con cierta capacidad de conducción a cierto voltaje. Estos contactos pueden ser de apertura instantánea ("snap") o lenta, y
de contactos de operación traslapada o de abre y cierra.
4.1B INDUCTIVOS
Tanto estos sensores como los de efecto capacitivo y ultrasónico presentan las ventajas siguientes:
Conmutación: * Sin desgaste y de gran longevidad.
* Libre de rebotes y sin errores de impulsos.
* Libres de Mantenimiento.
* De Precisión Electrónica.
* Soporta ambientes Hostiles.
Los sensores inductivos consisten en una bobina cuya frecuencia de oscilación cambia al ser aproximado un objeto
metálico a su superficie axial. Esta frecuencia es empleada en un circuito electrónico para conectar o desconectar un tiristor
y con ello, lo que esté conectado al mismo, de forma digital (ON-OFF) o, analógicamente. Si el objeto metálico se aparta de la
bobina, la oscilación vuelve a empezar y el mecanismo recupera su estado original.
Estos sensores pueden ser de construcción metálica para su mayor protección o, de caja de plástico. Y pueden tener
formas anular, de tornillo, cuadrada, tamaño interruptor de límite, etc.
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Además, por su funcionamiento pueden ser del tipo empotradle al ras en acero o, del tipo no empotradle. Los del tipo
no empotradle se caracterizan por su mayor alcance de detección, de aproximadamente el doble.
La técnica actual permite tener un alcance de hasta unos 100 mm en acero. El alcance real debe tomarse en cuenta, cuando
se emplea el mismo sensor en otros materiales. Ej: Para el Acero Inoxidable debe considerarse un 80% de factor de
corrección, para el Aluminio un 30 % y para el cobre un 25%.
Ciertas marcas fabrican estos sensores en dos partes, una parte es el sensor propiamente dicho y el otro es el
amplificador de la señal de frecuencia mencionada arriba, con el fin de usarlos en zonas peligrosas. A estos sensores se les
conoce como de "Seguridad Intrínseca".
Eléctricamente se especifican por el voltaje al que trabajan (20-40 V C.D., 90-130 V C.A., etc.) y por el tipo de circuito
en el que trabajan (dos hilos, PNP, NPN, 4 hilos, etc.). Generalmente los tipos en corriente directa son más rápidos -
Funcionan en aplicaciones de alta frecuencia. - que los de corriente alterna.
4.1C CAPACITIVOS
Existen muchas aplicaciones que requieren el sensar a distancia materiales no metálicos y, para ello se emplea este
tipo de sensor que usa el efecto capacitivo a tierra de los objetos a sensar. Ejemplos: Presencia de agua en un tubo o el
cereal dentro de una caja de cartón.
El elemento funcional primario del sensor capacitivo de proximidad es un oscilador de alta frecuencia con un
electrodo flotante en el circuito de base de un transistor. En el estado de inactividad hay un campo ruidoso en la región de
base, que representa el área activa del sensor de proximidad. Cuando un objeto aparece dentro del área activa, empiezan
las oscilaciones. La etapa de conmutación rectifica las oscilaciones de alta frecuencia y la señal continua resultante se aplica
a la etapa de salida. La etapa de conmutación incluye un sistema de señal de retroalimentación, el nivel del cual puede
ajustarse en algunos modelos, a través de un potenciómetro; esto capacita el sensor de proximidad de variar su sensibilidad
de respuesta.
Principalmente se emplean para líquidos y sólidos no metálicos y, externamente son muy parecidos a los sensores
inductivos (Ver arriba).
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Tanto los sensores inductivos como los capacitivos tienen una distancia máxima de accionamiento, que depende en
gran medida del área de la cabeza sensora (bobina o electrodo), por ello a mayor diámetro, mayor distancia máxima.
Además, la distancia de sensado siempre se especifica para agua en estado líquido pero, para otros materiales es
diferente. Para el vidrio se tiene que considerar un factor de corrección del 65%, mientras que para el agua congelada del
30%.
Además de los voltajes y circuitos mencionados en los inductivos, existe también en los sensores capacitivos un tipo
con salida analógica (4-20 mA).
4.1D SENSORES DE RELUCTANCIA VARIABLE.
Existen ciertos casos donde las condiciones físicas de operación requieren un sensor a prueba de casi todo. La
solución acostumbrada son los sensores de reluctancia variable.
Funcionan de la siguiente manera: El campo de un imán permanente es deformado al paso de un objeto de alta
reluctancia, como los dientes de un engrane metálico; este cambio en el campo induce un voltaje en una bobina colocada
rodeando al imán. La magnitud de este voltaje depende de la velocidad con la que el diente en nuestro ejemplo pasa frente
al campo magnético y, cuando es suficientemente grande (4500 mm/seg), puede ser empleado en contadores o indicadores
de velocidad directamente.
En nuestro medio usualmente se conocen estos sensores como de "Pick Up" magnético. Y, tienen forma de cilindro
metálico, a manera de un tornillo.
4.1E SENSORES FOTOELECTRICOS
Estos sensores son muy usados en algunas industrias para contar piezas, detectar colores, etc., ya que reemplazan
una palanca mecánica por un rayo de luz que puede ser usado en distancias de menos de 20 mm hasta de varias centenas
de metros, de acuerdo con los lentes ópticos empleados.
Funcionan con una fuente de luz que va desde el tipo incandescente de los controles de elevadores a la de estado
sólido modulada (LED) de los detectores de colores. Y operan al detectar un cambio en la luz recibida por el foto detector.
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Los foto detectores son típicamente fotodiodos o fototransistores, inclinándose los fabricantes por los primeros por su
insensibilidad a campos de radiofrecuencia, que podrían causar interferencia.
Algunos modelos de estos sensores son fabricados con inmunidad a la luz solar incidente o reflejada. Para ello
emplean haces de luz modulada que únicamente pueden ser detectados por receptores sintonizados a la frecuencia de
modulación.
Los diferentes tipos de sensores se agrupan por el tipo de detección:
a) Sensores de Transmisión Directa. Cuando existe un receptor y un emisor apuntados uno al otro. Tiene este método el más
alto rango de detección (hasta unos 60 m).
b) Sensores Reflex. Cuando la luz es reflejada por un reflector especial cuya particularidad es que devuelve la luz en el
mismo ángulo que la recibe (9 m de alcance).
c) Sensores Reflex Polarizados. Son prácticamente iguales a los del tipo anterior, excepto que, el emisor tiene un lente que
polariza la luz en un sentido y el receptor otro que la recibe mediante un lente con polarización a 90 ° del primero. Con esto,
el control no responde a objetos muy brillosos que pueden reflejar la señal emitida (5m de alcance).
d) Sensores de Foco Fijo. Cuando la luz es reflejada difusamente por el objeto y es detectado por el hecho de que el
transmisor y el receptor están estereoscópicamente acoplados, evitando con ello interferencia del fondo (3.5 m de alcance).
e) Sensores de detección difusa. Iguales a los anteriores pero los lentes son divergentes, y se usan para detectar objetos
muy próximos (1.5 m de alcance).
f) Sensores de Fibra Óptica. En este tipo, el emisor y receptor están interconstruídos en una caja que puede estar a varios
metros del objeto a sensar. Para la detección emplean los cables de fibra óptica por donde circulan los haces de luz emitido y
recibido. La mayor ventaja de estos sensores es el pequeño volumen o espacio ocupado en el área de detección.
4.1F PNEUMATICOS DE PROXIMIDAD
Algunas veces por su simpleza olvidamos que existen sensores que detectan la presencia o la falta de una presión
neumática, y que se han usado por años en las industrias papeleras para controlar que el enrollado del papel sea parejo.
Estos sensores son extremadamente confiables y requieren muy poco mantenimiento.
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4.1G SENSORES ULTRASONICOS
Los sensores ultrasónicos son empleados en las industrias químicas como sensores de nivel por su mayor exactitud
en presencia de burbujas en los reactores.
Funcionan al igual que el sistema de sonar usado por los submarinos. Emiten un pulso ultrasónico contra el objeto a
sensar y, al detectar el pulso reflejado, se para un contador de tiempo que inició su conteo al emitir el pulso. Este tiempo es
referido a distancia y de acuerdo con los parámetros elegidos de respuesta ("Set Point") con ello manda una señal eléctrica
digital o analógica.
La técnica actual permite la fabricación de estos sensores con un rango de detección desde 100 mm hasta unos 6000 mm
con una exactitud de 0.05%.
Estos sensores son empleados con gran éxito sobre otros tipos de sensores para detectar objetos a cierta distancia
que son transparentes o extremadamente brillosos y no metálicos.
4.1H SENSORES MAGNETICOS
De los sensores magnéticos tenemos los siguientes tipos: los mecánicos o tipo "reed", los de tipo electrónico o de
efecto Hall y, los transformadores lineales variables (LVDT).
Los sensores de tipo "reed" tienen gran difusión al emplearse en muy bajos voltajes, con lo que sirven de indicador de
posición a PLCs y, además, por emplearse como indicador de posición de los cilindros neumáticos de émbolo magnético de
las marcas que tienen mayor difusión.
Los sensores de efecto Hall, son semiconductores y por su costo no están muy difundidos pero en codificadores
("encoders") de servomecanismos se emplean mucho.
Los transformadores lineales variables (LVDT) proporcionan una lectura de posición, usando la inductancia mutua
entre dos embobinados. Un núcleo magnético móvil acopla el voltaje de excitación en corriente alterna a los dos
secundarios. La fase y la amplitud del voltaje del secundario varían de acuerdo con la posición del núcleo.
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Cuando el núcleo está en medio de los embobinados, los voltajes de ambos están 180 grados desfasados y son de
igual magnitud, por lo que el voltaje neto es cero. Cuando el núcleo se mueve hacia la escala positiva, la señal en fase con la
onda de entrada crece y viceversa cuando el núcleo se mueve hacia la escala negativa.
4.1J ENCODERS
Un tipo especial de sensor de proximidad es el "encoder" o codificador, ya que con él se puede obtener la distancia
exacta de proximidad.
Para la medición angular se utiliza un disco codificado montado en un eje. La transformación de la codificación
mecánica en una señal eléctrica proporcional se consigue por la posición del disco utilizando sensores electromagnéticos
(tipo Inductosyn), inductivos o acopladores ópticos. En el caso de posicionado inductivo, el código del disco tiene la forma de
segmentos de cobre en serie. Con este método, el transductor consiste en un sensor tipo herradura, cuyo consumo eléctrico
varía de acuerdo con el grado de interferencia de su campo magnético. Esta señal es empleada a continuación por el equipo
de control.
El posicionamiento óptico de un disco segmentado es el método más usual, donde la codificación consiste en sectores
transparentes y opacos. Cuando el disco gira, el recorrido de la luz al sensor óptico se abre y se bloquea alternativamente,
produciendo así una salida digital en proporción con el movimiento y la posición.
Existen dos tipos de "Encoders":
Encoders Incrementales
Los "encoders" incrementales suministran un número específico de impulsos por cada revolución completa del eje.
Esta cuenta de impulsos está determinada por el número de divisiones o segmentos del disco de codificación. Ej. El disco de
codificación consta de 360 segmentos, por lo tanto por revolución del eje, se obtendrán 360 impulsos. Es decir, un impulso
por grado angular.
Hay disponibles tres versiones del generador de impulsos rotativo: canal simple, doble y triple.
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El tipo de canal simple (Señal A) es empleado donde el sentido del movimiento no cambia, ni se tienen vibraciones.
En el caso contrario, son mejores los de doble canal (Señales A y B), también llamados de señales en cuadratura porque una
señal está desfasada en 90 grados de la otra, lo cual sirve para detectar el sentido del giro. El tercer canal (Señal Z) es una
señal de posición que aparece una vez por revolución, y es empleado para regresar a ceros contadores en sistemas
controlados digitalmente (CNC, PLCs, etc.).
Los problemas más frecuentes con los codificadores son causados por un pobre blindaje del conductor o, por la
distancia tan larga y la frecuencia tan alta con la que trabaja el aparato. Un buen cable aterrizado únicamente en el contador
y, un codificador de señales complementarias (A, noA, B, noB y Z) resuelven en su mayor parte estos problemas.
"Encoders" Absolutos
A diferencia de los "encoders" incrementales, los del tipo absoluto proporcionan una combinación única de señales
para cada posición física. Esto resulta una ventaja importante, ya que no es necesario un contador para la determinación de
la posición.
La combinación de señales se establece mediante un patrón de código de sectores transparentes y opacos en varias
pistas de un disco rotativo. El número de pistas de código disponibles determina la resolución máxima del codificador en la
totalidad de los 360 grados. En el caso de las pistas codificadas en binario, la resolución máxima es de 2^n siendo "n" el
número de pistas. Por consiguiente, para 10 pistas, la resolución es de 2^10 = 1024.
Una característica importante de la lectura de modo paralelo es que la posición real se registra inmediatamente
cuando se conecta inicialmente la alimentación eléctrica, o después de un cambio de posición sin potencia aplicada o si se
excede del número de revoluciones por minuto permitidas electrónicamente (desventajas del tipo incremental).
El código de Gray es el sistema de codificación más usado. Este método de codificación tiene la ventaja de producir
un cambio de código de un sólo dígito binario en el desplazamiento de una posición a la siguiente.
Aunque se ha mencionado únicamente el funcionamiento de los "encoders" rotativos, los lineales trabajan de la misma
manera.
4.2 SENSORES DE PRESION
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Los sensores de presión sofisticados funcionan a base de celdas de carga y de sus respectivos amplificadores
electrónicos, y se basan en el conocido puente de Wheatstone, donde una de sus piernas está ocupada por el sensor. Este
sensor es básicamente una resistencia variable en un sustrato que puede ser deformado, y lo cual ocasiona el cambio en el
valor de la mencionada resistencia.
Los sensores comunes de presión son interruptores eléctricos movidos por una membrana o, un tubo Bourdón. El tubo
Bourdón se abre hacia afuera con el aumento de presión y este movimiento es transmitido a un interruptor, el cual es
accionado cuando la posición del tubo corresponde con un ajuste preseleccionado.
En el caso de los interruptores de presión por diafragma, la fuerza provocada por la presión sensada actúa sobre un
resorte, el cual al ser vencido actúa sobre un microinterruptor. Es obvio que el resorte determina el rango de presión de
operación.
4.3 SENSORES DE NIVEL
Los sensores de nivel en su mayoría trabajan indirectamente sensando la posición de un flotador mediante un sensor
inductivo o un interruptor del tipo de canilla ("reed") y un imán permanente.
4.4 SENSORES DE TEMPERATURA
Los sensores de temperatura más sencillos son los que actúan sobre un interruptor miniatura y en general, éstos son
de dos tipos: Sistemas de Dilatación de un fluido y Bimetálicos. Los primeros actúan al dilatarse el líquido o el gas contenido
dentro de un capilar y, los segundos actúan directamente el interruptor mediante el efecto de diferencia de dilataciones de
tiras de dos metales diferentes. En general, se usan para interrumpir hasta corrientes de 30 Amperes en 120 volts.
Otros sensores de temperatura son los termopares, detectores de temperatura por resistencia (RTD) y, los
termistores.
4.4A TERMOPARES
Los termopares están hechos de dos alambres de metales diferentes unidos precisamente en el punto de medición,
también conocido como "unión caliente". Un pequeño voltaje llamado Seebeck, en honor a su descubridor, aparece entre los
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dos alambres en función de la temperatura de esa unión y, ese voltaje es la señal que actúa sobre el controlador de
temperatura.
Los termopares son en general de los sensores los más baratos y los más robustos, aunque para evitar errores de
materiales disímiles, los cables de extensión deben ser del mismo material del termopar.
Existen termopares apropiados para diferentes rangos de temperatura y diferentes ambientes industriales. Ejemplos:
TIPO ALEACIONES RANGO (°C)
J Hierro/Constantan 0 a 760
K Chromel / Alumel 0 a 1260
E Chromel / Constantan -184 a 871
T Cobre / Constantan -184 a 371
R Platino 13% / Rodio Platino 0 a 1482
4.4B RTD
Los RTDs son principalmente hechos de alambre de platino enrrollado en una base cerámica cubiertos de vidrio o de
material cerámico. Además pueden encontrarse como película en un sustrato.
Con la temperatura el platino cambia de resistencia y, con un circuito similar al conocido Puente de Wheatston este
cambio puede ser utilizado en un indicador o controlador de temperatura.
Este tipo de sensor se fabrica también de Níquel en lugar de Platino pero son más usuales los de este último material,
en sus variantes de norma alemana o japonesa.
Es sencilla la conexión de estos elementos y su prueba, ya que a 0° C, la resistencia del RTD de Platino es de 100
ohms y varía a razón de 0.385 ohms por grado Celsius.
4.4C TERMISTORES.
Los termistores están fabricados de un material semiconductor que cambia su resistencia eléctrica abruptamente en
un pequeño rango de temperatura, por lo que son empleados en sistemas de adquisición de datos y en equipos delicados.
Ejemplo: Control de Temperatura de Osciladores Electrónicos.
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Su desventaja es que requieren de potencia para funcionar por lo que se autocalientan, y eso debe ser compensado en el
circuito de medición.
4.5 SENSORES DE FLUJO.
Los sensores de flujo más usuales comprenden de una pequeña turbina que gira dentro del fluido a sensar, y, de un
sensor del tipo inductivo que sensa el número de revoluciones de los álabes de la turbina, o, en otro tipo, la señal es tomada
de un tacogenerador acoplado directamente a la turbina.
También los hay del tipo de estado sólido, los cuales tienen en la cabeza sensora dos resistencias calibradas. Con una
de ellas se calienta un poco el fluido que rodea la cabeza y con el otro se sensa la temperatura del fluido. Comparando la
temperatura electrónicamente, la cual se ajusta manualmente, es posible detectar movimientos de fluidos muy lentos como
los de lubricantes de baleros, o flujos muy rápidos como los de una bomba de agua.
Controles Programable
5.1 GENERALIDADES DE LOS PLCs
El término PLC de amplia difusión en el medio significa en inglés, Controlador Lógico Programable. Originalmente se
denominaban PCs (Programmable Controllers), pero, con la llegada de las IBM PCs, para evitar confusión, se emplearon
definitivamente las siglas PLC.
En Europa, el mismo concepto es llamado Autómata Programable.
La definición más apropiada es: Sistema Industrial de Control Automático que trabaja bajo una secuencia almacenada
en memoria, de instrucciones lógicas.
Es un sistema porque contiene todo lo necesario para operar, e industrial por tener todos los registros necesarios para
operar en los ambientes hostiles encontrados en la industria.
Esta familia de aparatos se distingue de otros controladores automáticos en que puede ser programado para controlar
cualquier tipo de máquina, a diferencia de otros muchos que, solamente pueden controlar un tipo específico de aparato. Un
programador o Control de Flama de una caldera, es un ejemplo de estos últimos.
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Además de poder ser programados, se insiste en el término "Control Automático", que corresponde solamente a los
aparatos que comparan ciertas señales provenientes de la máquina controlada de acuerdo con algunas reglas programadas
con anterioridad para emitir señales de control para mantener la operación estable de dicha máquina.
Las instrucciones almacenadas en memoria permiten modificaciones así como su monitoreo externo.
5.2 HISTORIA DE LOS PLCs
En 1969 la División Hydramatic de la General Motors instaló el primer PLC para reemplazar los sistemas inflexibles
alambrados usados entonces en sus líneas de producción.
Ya en 1971, los PLCs se extendían a otras industrias y, en los ochentas, ya los componentes electrónicos permitieron
un conjunto de operaciones en 16 bits,- comparados con los 4 de los 70s -, en un pequeño volumen, lo que los popularizó en
todo el mundo.
En los primeros años de los noventas, aparecieron los microprocesadores de 32 bits con posibilidad de operaciones
matemáticas complejas, y de comunicaciones entre PLCs de diferentes marcas y PCs, los que abrieron la posibilidad de
fábricas completamente automatizadas y con comunicación a la Gerencia en "tiempo real".
5.3 COMPONENTES
Los pequeños PLCs son compactos y contienen en un solo cajón todos los componentes, reciben por lo tanto el
nombre de tipo "caja de zapatos". En cambio, los mayores, son del tipo modular y se conectan las diferentes partes de una
manera que pueden ser reemplazadas individualmente.
Un PLC consiste en las siguientes partes:
CPU o Unidad de Proceso Lógico, que el en caso del PLC reside en un circuito integrado denominado
Microprocesador o Microcontrolador, es el director de las operaciones del mismo.
Por extensión, todo el "cerebro" del PLC se denomina CPU.
El CPU se especifica mediante el tiempo que requiere en procesar 1 K de instrucciones, y por el número de
operaciones diferentes que puede procesar. Normalmente el primer valor va desde menos de un milisegundo a unas
decenas de milisegundos, y el segundo de 40 a más de 200 operaciones diferentes.
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MEMORIA. Es el lugar de residencia tanto del programa como de los datos que se van obteniendo durante la
ejecución del programa. Existe dos tipos de memoria según su ubicación: la residente, que está junto o en el
CPU y, la memoria exterior, que puede ser retirada por el usuario para su modificación o copia. De este último
tipo existen borrables (RAM, EEPROM) y, no borrables (EPROM), según la aplicación.
Las memorias empleadas en los programas van de 1 K a unos 128 K.
PROCESADOR DE COMUNICACIONES. Las comunicaciones del CPU son llevadas a cabo por un circuito
especializado con protocolos de los tipos RS-232C, TTY ó HPIB (IEEE-485) según el fabricante y la sofisticación del
PLC.
ENTRADAS Y SALIDAS. Para llevar a cabo la comparación necesaria en un control automático, es preciso que el
PLC tenga comunicación al exterior. Esto se logra mediante una interfase llamada de entradas y salidas, de
acuerdo a la dirección de los datos vistos desde el PLC.
El número de entradas y salidas va desde 6 en los PLCs de "caja de zapatos" tipo micro, a varios miles en PLCs
modulares.
El tipo preciso de entradas y salidas depende de la señal eléctrica a utilizar:
CORRIENTE ALTERNA 24, 48, 120, 220 V. Salidas: Triac, Relevador.
CORRIENTE DIRECTA (DIGITAL) 24, 120 V. Entradas: Sink, Source. Salidas: Transistor PNP, Transistor NPN,
Relevador.
CORRIENTE DIRECTA (ANALOGICA) 0 - 5, 0 - 10 V, 0 - 20, 4 - 20 mA. Entradas y Salidas Analógicas.
TARJETAS MODULARES INTELIGENTES. Existen para los PLCs modulares, tarjetas con funciones específicas
que relevan al microprocesador de las tareas que requieren de gran velocidad o de gran exactitud.
Estas tarjetas se denominan inteligentes por contener un microprocesador dentro de ellas para su funcionamiento
propio. El enlace al PLC se efectúa mediante el cable (bus) o tarjeta de respaldo y a la velocidad del CPU principal.
Las funciones que se encuentran en este tipo de tarjetas son de:
Posicionamiento de Servomecanismos
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Contadores de Alta Velocidad.
Transmisores de Temperatura.
Puerto de Comunicación BASIC.
BUS. Los sistemas modulares requieren una conexión entre los distintos elementos del sistema y, esto se
logra mediante un bastidor que a la vez es soporte mecánico de los mismos.
Este bastidor contiene la conexión a la fuente de voltaje, así como el "bus" de direcciones y de datos con el que se
comunican las tarjetas y el CPU.
En el caso de tener muchas tarjetas de entradas/salidas, o de requerirse éstas en otra parte de la máquina, a
cierta distancia de la CPU, es necesario adaptar un bastidor adicional que sea continuación del original, con una
conexión entre bastidores para la comunicación. Esta conexión si es cercana puede lograrse con un simple cable
paralelo y, en otros casos, se requiere de un procesador de comunicaciones para emplear fibra óptica o, una red con
protocolo establecida.
FUENTE DE PODER. Por último, se requiere una fuente de voltaje para la operación de todos los componentes
mencionados anteriormente. Y ésta, puede ser externa en los sistemas de PLC modulares o, interna en los PLC
compactos.
Además, en el caso de una interrupción del suministro eléctrico, para mantener la información en la memoria
borradle de tipo RAM, como es la hora y fecha, y los registros de contadores, etc. se requieren de una fuente auxiliar.
En los PLCs compactos un "supercapacitor" ya integrado en el sistema es suficiente, pero en los modulares, es preciso
adicionar una batería externa.
PROGRAMADOR. Aunque de uso eventual en un sistema, desde un teclado con una pantalla de una línea de
caracteres hasta una computadora personal pueden emplearse para programar un PLC, siempre y cuando sean
compatibles los sistemas y los programas empleados.
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Con base en lo anterior, podemos clasificar a los PLC por tamaño. Esto es, por el número de entradas/salidas que se
pueden tener o conectar. Ej. Un PLC con 216 entradas/salidas permite la conexión de una combinación de entradas y salidas
cuya suma no pase de 216.
Además del tamaño físico, es importante la velocidad de proceso del CPU y la memoria total que puede ser empleada
para programas por el usuario. Ej. Un PLC con una velocidad de proceso de 1000 instrucciones en 0.8 ms promedio y
memoria de 8KBytes (1 Byte = 8 bits)
Es necesario hacer notar que después de procesar las instrucciones, el PLC se comunica externamente, realiza
funciones de mantenimiento como verificar integridad de memoria, voltaje de batería, etc. En seguida actualiza las salidas y
acto seguido lee las entradas. Con lo que el tiempo de proceso total, puede llegar a ser el doble del de ejecución del
programa.
5.4 COMPARACION ENTRE LOS MODELOS DE PLCS COMPACTOS MÁS COMUNES EN NUESTRO
MEDIO.
En el orden: MITSUBISHI FX, SIEMENS 95U, SIEMENS 214U
NO. INSTRUCCIONES
-, -, -
NO. ENTRADAS/SALIDAS DIGITALES MAX
-, -, 64
NO. ENTRADAS/SALIDAS ANALOGICAS MAX
-, - , -
NO. MARCAS (normal/retent)
-, 1536/512, 256/688
NO. CONTADORES (normal/retent/rango)
-,120/8/0-999, 128
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NO. TEMPORIZADORES (rango)
-,128(0.01-9990 s), 128(0.001-s)
MEMORIA INTERNA PARA PROGRAMA (KB)
-, 8 KB, 2KB
VELOCIDAD (1 Kinstr)
-, 2 ms, 0.8ms
5.5 PROGRAMACION Y LENGUAJES.
Un PLC debe ser capaz de arrancar su programa siempre que exista una falla de energía, por lo que todas las
eventualidades deben ser programadas en él.
En el programa se designan mediante direcciones los registros, los contadores, los temporizadores y las entradas y
salidas. En los PLC pequeños estas direcciones están asignadas por el fabricante, pero en los mayores, pueden ser definidas
por el usuario, con mayor aprovechamiento de la memoria.
Los PLC trabajan como todos los circuitos electrónicos únicamente con dos estados lógicos, ALTO y BAJO, ON y OFF, 1
y 0, etc., lo cual no es práctico desde el punto de vista de enlace hombre-máquina, por lo que se requiere de lenguajes de
programación que traduzcan las ideas humanas a estados lógicos.
Los lenguajes de programación en sí, aunque normalizados en su parte básica, son tan variados como fabricantes de
PLC hay, así como también la manera de accesar a dichos controladores.
Pero, en general podemos hablar de cuatro grandes grupos de lenguajes de programación:
INSTRUCCIONES, DE ESCALERA, POR FUNCIONES y POR PASOS.
LENGUAJES DE ESCALERA (TIPO NEMA). Es el más conocido en el área de influencia norteamericana, ya que
invariablemente todos los PLC de fabricación americana o japonesa permiten su programación en este lenguaje; ya
sea para emplear los mismos diagramas de control alambrado existentes en las máquinas que se reconvierten o, ya
sea para capacitar fácilmente al personal de mantenimiento en el manejo y arreglo de estos aparatos.
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INSTRUCCIONES O BOOLEANO. Es el tipo más poderoso de los lenguajes de programación en cualquier marca de
aparato, ya que es lo más cercano al lenguaje máquina y, puede hacer uso de particularidades de los mismos
microprocesadores, y con ello hacer más rápido un programa o, más compacto.
PROGRAMACION POR FUNCIONES. Es el preferido por los Ingenieros europeos. Son los más matemáticos de los
lenguajes, al requerirse manejo de tablas de verdad y simplificación de funciones lógicas booleanas para su empleo.
PROGRAMACION POR PASOS (GRAPHSTEP, GRAPH5). Este lenguaje fue inventado por ingenieros de la marca francesa
Telemecanique, y posteriormente se hizo lenguaje estándar IEC, y son ahora muchos los fabricantes que tienen su
propia versión.
Es en práctica un lenguaje más elevado que los anteriores al permitir con una simple instrucción hacer lo que en otros
requería varias y complejas instrucciones, siempre y cuando se pueda programar la operación de la máquina de
manera secuencial.
Este lenguaje es muy apropiado para el manejo de posicionadores, alimentadores, y todo aparato cuyos movimientos
mecánicos sean repetitivos.
5.5.1 CONCEPTOS DE DIAGRAMAS DE ESCALERA APLICADOS A PLCs.
Los elementos principales son: contactos y bobinas.
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Los contactos o condiciones pueden ser de: entradas digitales, salidas digitales, temporizadores, contadores o,
marcas (también llamadas banderas o memorias internas, que son equivalentes a los relevadores auxiliares en tableros
alambrados).
Lo que llamamos "bobinas" es el resultado de la operación y "enciende" cuando las condiciones precedentes se
cumplen, o en téminos eléctricos, existe un camino de contactos en serie cerrados.
Además, existen dos tipos de bobinas: retentiva (tipo latch) y no retentiva.
SIMBOLOGIA.-
TIPO SIEMENS
I ó E ENTRADA
Q ó A SALIDA
F ó M MARCA, BANDERA O MEMORIA INTERNA
T TEMPORIZADOR
C CONTADOR
S Instrucción SET
R Instrucción RESET
Las I, Q y, Fs pueden ser llamadas por bit. Ej. Q0.0 = bit 0 del Byte 0 de salidas digitales. Asimismo por byte. Ej. IB0 =
los 8 bits del byte 0, o por palabra. Ej. FW0 = FB0 + FB1.
En las figuras 5.5.1a y 5.5.1b, para que la salida Q1.0 encienda (valor lógico de 1), las condiciones son que la entrada
I0.0 y las entradas I0.0 e I0.1 estén encendidas (valor lógico de 1) respectivamente.
En la figura 5.5.1c se muestra el diagrama eléctrico de conexión de un arrancador en un PLC y, su diagrama de
control.
Tabla de Referencia:
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I0.0 botón pulsador de arranque
I0.1 botón pulsador de paro (normalmente cerrado)
Q1.0 relevador auxiliar del contactor del motor
En la figura 5.5.1d, el mismo arrancador sencillo se realiza con las instrucciones SET y RESET (relevador retentivo) de dos
maneras. Observar que si los botones pulsadores se oprimen al mismo tiempo en los casos mostrados, se obtienen
resultados diferentes porque el PLC actualiza las salidas hasta terminar de ejecutar el programa.
Se muestra una mejor solución para un arrancador en la figura 5.5.1e, considerando que tiene preferencia el paro.
Programando PLCs es muy frecuente cometer errores como los de las figura 5.5.1f. En el primero caso, el PLC tiene un
límite de operaciones pendientes que es fácil alcanzar y en el segundo (cortocircuito de contactos) y tercero (repetición de
condiciones), se desperdicia memoria si es que el programa compilador acepta los comandos.
Un ejercicio más complejo con las instrucciones dadas es el de un arrancador para un motor reversible. La solución está
dada en la fig. 5.5.1g.
Tabla de Referencia:
I0.0 botón pulsador arranque adelante
I0.1 botón pulsador paro (normalmente cerrado)
I0.2 botón pulsador arranque atrás
Q1.0 relevador auxiliar de motor hacia adelante
Q1.1 relevador auxiliar de motor hacia atrás
Los temporizadores y las funciones más complejas se dibujan mediante un rectángulo donde se escriben los elementos
constituyentes.
Un ejemplo de la utilización de un temporizador del tipo de retardo al conectar (ON DELAY) es el arrancador en dos pasos
que se muestra en la figura 5.5.1h, cuya tabla de referencia es:
I0.0 botón pulsador arranque
I0.1 botón pulsador paro (normalmente cerrado)
Q1.0 primera velocidad
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Q1.1 segunda velocidad
T0 temporizador de retardo al energizar ajustado a 8 segundos para realizar el cambio entre velocidades.
Los contadores hacen el cambio cuando el estado lógico cambia de cero a uno y, los hay ascendentes y descendentes.
Además, cuando su valor llega a cero, su bit de salida cambia de estado. Y, puede ser regresado su valor a cero mediante la
instrucción RESET y, pueden ser predeterminados mediante la instrucción SET. Ejemplos de uso en la figura 5.5.1j.
Tabla de referencia:
I0.0 a I0.3 botones pulsadores
C0 contador
CU Instrucción contar hacia arriba
CD Instrucción contar hacia abajo
Es importante notar que el valor de un contador como de una temporización puede ser mostrado mediante un panel de
operación.
5.5.2 CONCEPTOS DE PROGRAMACION POR INSTRUCCIONES EN LENGUAJE STEP 5, PARA PLCs
SIEMENS.
Además de la simbología mencionada en el punto anterior, es preciso añadir las funciones booleanas AND, NAND, OR, y NOR,
las que son:
A ó U AND
AN ó UN NAND
O OR
ON NOR
Además, cuando exista duda sobre la precedencia de las operaciones, se pueden usar los paréntesis para agrupar
instrucciones:
A(
O(
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Observar que para comenzar se emplea frecuentemente A ó AN.
La lista de instrucciones para la figura 5.5.1a es
A I0.0
= Q1.0
Y para la 5.5.1b
A I0.0
AN I0.1
= Q1.0
La figura 5.5.1c
O I0.0
O Q1.0
A I0.1
= Q1.0
La figura 5.5.1d
A I0.0
S Q1.0
A I0.1
R Q1.0
A I0.1
R Q1.0
A I0.0
S Q1.0
Se incluyen espacios para hacer más fácil la lectura pero, en este lenguaje pueden omitirse.
La figura 5.5.1e
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A I0.0
AN I0.1
S Q1.0
A I0.1
R Q1.0
En la figura 5.5.1g estamos haciendo uso de los paréntesis para hacer notar su uso.
A(
O I0.0
O Q1.0
)
A I0.1
AN Q1.1
= Q1.0
O I0.2
O Q1.1
A I0.1
AN Q1.0
= Q1.1
Y, sobre la figura 5.5.1h, usamos la marca M0.0 y la instrucción de carga constante a un temporizador (L KTx) y la de puesta
en marcha de temporizador con retardo al energizar (SR Tx).
O I0.0
O Q1.0
O Q1.1
A I0.1
= M0.0
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A M0.0
AN T0
= Q1.0
A M0.0
L KT 800.0
SR T0
A T0
= Q1.1
El listado de instrucciones de los contadores de la figura 5.5.1j es como sigue:
A I0.0
CU C0
A I0.1
CD C0
A I0.2
R C0
A I0.3
L C20
S C0
5.6 EJERCICIOS SENCILLOS DE PROGRAMACION.
5.6.1 SEMAFORO DE PEATONES.
Requisitos:
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a) En la entrada I0.0 esta conectado el botón pulsador de iniciar el ciclo, para que paren los autos y puedan pasar los
peatones.
b) Las salidas están asignadas como sigue:
Q1.0 Rojo Peatones
Q1.1 Verde Peatones
Q1.2 Rojo Trafico Vehicular
Q1.3 Amarillo Trafico Vehicular
Q1.4 Verde Trafico Vehicular
c) Ningún color parpadea.
PROGRAMA SECUENCIAL DE 8 PASOS
FB 6
"RELOJ DEL SISTEMA" ** EL CICLO ES 50/50. NOTA: SI EL PERIODO DEL RELOJ NECESARIO ES 1.0 SEGUNDO, UTILICE EL RELOJ
DEL PLC **
AN F9.2
L KT30.0 ** FRECUENCIA REQUERIDA ENTRE DOS **
SR T0
A T0
= F9.2
A F9.2
AN F9.1
S F9.0 ** RELOJ **
A F9.2
A F9.1
R F9.0
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AN F9.2
A F9.0
S F9.1
AN F9.0
AN F9.2
R F9.1
FB 20
"SECUENCIA AUTOMATICA"
A F21.0
LKT 100.0
SR T20
A F21.1
LKT 100.1
SR T21
A F21.2
LKT 100.2
SR T22
A F21.3
LKT 100.3
SR T23
A F21.4
LKT 100.4
SR T24
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A F21.5
LKT 100.5
SR T25
A F21.6
LKT 100.6
SR T26
A F21.7
LKT 100.7
SR T27
O F21.0
O F21.1
O F21.2
O F21.3
O F21.4
O F21.5
O F21.6
O F21.7
ON I0.0 ** CONDICION DE ARRANQUE **
JC = X01
L KH 0001
T FW 20
X01 AN F20.0
JC = X02
AN T20 ** CONDICION DE SALTO **
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JU FB50
"AUXILIAR SECUENCIA AUTOMATICA"
X02 AN F20.1
JC = X03
AN T21 ** CONDICION DE SALTO **
BEB
JU FB50
"AUXILIAR SECUENCIA AUTOMATICA"
X03 AN F20.2
JC = X04
AN T22 ** CONDICION DE SALTO **
BEB
JU FB50
"AUXILIAR SECUENCIA AUTOMATICA"
X04 AN F20.3
JC = X05
AN T23 ** CONDICION DE SALTO **
BEB
JU FB50
"AUXILIAR SECUENCIA AUTOMATICA"
X05 AN F20.4
JC = X06
AN T24 ** CONDICION DE SALTO **
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JU FB50
"AUXILIAR SECUENCIA AUTOMATICA"
X06 AN F20.5
JC = X07
AN T25 ** CONDICION DE SALTO **
BEB
JU FB50
"AUXILIAR SECUENCIA AUTOMATICA"
X07 AN F20.6
JC = X08
AN T26 ** CONDICION DE SALTO **
BEB
JU FB50
"AUXILIAR SECUENCIA AUTOMATICA"
X08 AN F20.7
JC = X09
AN T27 ** CONDICION DE SALTO **
BEB
JU FB50
"AUXILIAR SECUENCIA AUTOMATICA"
X09 BE
FB30
"ACCIONAMIENTOS"
O F20.0
= Q16.0
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FB40
"MULTIPLEXADOR DE DIECISEIS FASES"
L FW40
L KHFFFF
AW
L KH0000
><F
JC = X01
L KH0001
T FW40
JU = X02
X01 L FW40
SLW 1
T FW40
X02 BE
FB50
"AUXILIAR SECUENCIA AUTOMATICA"
L FW20
SLW 1
T FW20
BE
OB1
JU FB6
"RELOJ DEL SISTEMA"
JU FB20
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"SECUENCIA AUTOMATICA"
JU FB30
"ACCIONAMIENTOS"
JU FB50
"AUXILIAR SECUENCIA AUTOMATICA"
DB6 ** PROGRAMA DE USO DE PANTALLA OP393 II
00:KH=0000
01:KH=010B
02:KH=010C
03:KH=0600
04:KH=0010
05:KH=00FF
06:KH=000E
07:KH=0132
08:KH=0134
09:KH=0136
10:KH=0206
11:KH=0138
12:KF=14516
13:KH=0000
14:KH=FFFF
5.7 USO
Los P.L.C. se encuentran en la gran mayoría de las máquinas de proceso que se fabrican actualmente y, a veces
disfrazados de tablillas electrónicas de control, pero siempre reduciendo en gran medida la mano de obra que requerían
todos los tableros de control alambrados que hasta hace unos años eran omnipresentes en la industria y, en gran medida su
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gran difusión los ha abaratado tanto que aún en las operaciones más sencillas, el P.L.C. toma el lugar de temporizadores y
contadores.
Al alambrar un PLC se debe tener cuidado en emplear los cables con código de colores para evitar en lo posible
cualquier error que pudiera ser muy costoso.
Las compañías fabricantes de máquinas usan el siguiente código de colores para los cables:
AZUL para circuitos de control en c.d.
ROJO para control en c.a.
VIOLETA y/o GRIS para entradas/salidas del PLC.
NEGRO en circuitos de fuerza
BLANCO en cables puestos a tierra en c.a. (neutro) y el VERDE/AMARILLO o solamente VERDE para la conexión a
tierra.
5.8 TENDENCIAS
Las máquinas modernas controladas por un PLC tienen pocos botones de mando, porque han sido sustituidos en gran
medida por los paneles de mando que a su vez tienen una pequeña o gran pantalla de avisos y, en algunos casos hasta
permiten la programación de la Producción.
Además, la tendencia es hacia una fabricación integrada y, los PLC juegan el papel del soldado raso en esa cadena al
efectuar todas las operaciones burdas de control.
Estos sistemas donde los PLC son supervisados por sistemas más complejos están actualmente en uso en las grandes
compañías acereras, de alimentos y de automóviles y, con la caída en los costos reales actuales, se puede anticipar su uso
en fábricas y empresas más pequeñas en el próximo futuro.
En nuestro medio, esperamos ver cada vez un mayor número de PLC controlando las máquinas de nuestras
industrias.
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5.9 LIGAS A PÁGINAS RELACIONADAS CON PLCs
Allen Bradley- Fabricante MicroLogix, SLC 5.
General Electric- Equipo GE-FANUC
Mitsubishi Electric- Fabricante equipo MELSEC
Modicon- Fabricante equipo MODICON.
Omron.- Fabricante.
Siemens- Fabricante equipo SIMATIC.
Computadoras
6.1 P.C.
Las P.C. o, Computadoras Personales han incursionado en todos los ámbitos de la actividad de una Empresa, y hasta
ahora, son vistas tanto en la oficina de contabilidad como en el despacho de órdenes de producción en la fábrica.
Las computadoras, al ser una herramienta todo propósito, puede expandirse y recibir tarjetas de otros fabricantes que
le dan otro uso.
Desde hace más de una década, existen en los mercados tarjetas de P.C. para el control de procesos que son
similares en funciones a los P.L.C. y, que por lo tanto pueden ser usadas en las mismas aplicaciones. Estas tarjetas se
venden para un mercado muy específico, el de automatización de laboratorios y de pruebas de procesos a nivel
experimental. Esto es, Plantas Piloto o Robótica.
6.2 PLC VS PC
Aunque a veces se traslapan en aplicaciones de control de laboratorios o de pequeños procesos, es importante hacer
notar las ventajas de unos y otras.
Las computadoras digitales son muy poderosas para manejo de volúmenes grandes de datos y por esta razón, en
monitoreo y recolección de datos no tienen competencia. Y, en el control de maquinaria en ambientes industriales en
condiciones adversas (con polvo, variaciones de voltaje, etc.), los P.L.C. no han podido ser desplazados.
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Una característica importante en unos y otros es el tiempo de respuesta que pueden tener a un cambio dado en las
variables sensadas. Los P.L.C.s con sus memorias de programas limitadas son mucho más rápidos para reaccionar que las
PCs.
6.3 COMPUTADORAS Y EL CONTROL DISTRIBUIDO.
Este artículo esta tomado de un archivo sobre control que existe en Internet.
Las siguientes definiciones se escribieron desde el punto de vista del control de procesos.
La definición del Control Distribuido no está muy bien definida porque diferentes compañías han usado el concepto de
muchas maneras. Pero, el control distribuido básicamente es la distribución de elementos o funciones en diferentes partes
del sistema. Existen tres aspectos del Control Distribuido La primera es la distribución física, la segunda la distribución
funcional y la tercera, la distribución de riesgos.
Una distribución física es donde los elementos y/o funciones de control se encuentran ubicados en diferentes
localidades físicas. En su forma más pura, el control del sistema está colocado tan cerca como es posible del equipo a
controlar. Inherente a esto, existe una infraestructura de comunicaciones que permite a las diferentes partes comunicarse,
mostrar datos, compartir recursos y datos, etc.
Funcionalmente distribuido es el caso donde algunas funciones de control están concentradas en lugares diferentes.
Esto es, la función de control está en una caja, la parte de comunicación hombre-máquina en otra, los datos históricos en
otra, las funciones de control en otra y así sucesivamente. Inherente a esto, existe una separación física entre cajas del
orden de unos cuantos centímetros a algunos metros.
La distribución de riesgos es donde el riesgo del sistema de control se ha repartido en diferentes cajas. Esta
distribución de riesgos se compara generalmente con el uso de una computadora para hacer una sola función. Es común, sin
embargo, en sistemas de control de procesos distribuidos que múltiples lazos de control estén concentrados en una sola
caja, por lo que comparados con un simple lazo de control, en estos casos el riesgo está concentrado.
Un sistema de control distribuido (DCS por sus siglas en inglés), es un nombre genérico a un tipo de control de
procesos. Este sistema consiste típicamente de varios componentes integrados por un bus de datos común. Estos
componentes consisten en controladores básicos que manejan pequeño número de lazos de control, controladores
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multifunción que manejan de 30 a 50 lazos, consolas de operación y de ingeniería, módulos de manejo de datos históricos,
módulos de control avanzado, multiplexadores de entrada, comunicaciones con otras computadoras y otros componentes
especializados. Hasta hace poco tiempo estos sistemas fueron básicamente cerrados, y recientemente ha habido una
tendencia de estos sistemas a usar sistemas operativos industriales estándares con acceso a otras compañías. Queda
pendiente qué tan abiertos llegan a ser dichos sistemas.
La distribución física de este tipo de sistema puede variar considerablemente The physical distribution in this type of
system can vary considerable but it is a common practice for the control room to contain the operator and engineering
workstations and for the other control components to be in an equipment room attached to the control room. Occasionally
you will see a central control room for the whole plant or for several facilities within a plant with the controllers located in
satellite equipment
rooms. You really won't see this equipment too close to the equipment under control as the care and feeding of this
equipment generally requires climate controlled rooms and thus tend to be concentrated and located outside the hazardous
process area. You will commonly see the data highway extended to a remote central computer room. These types of systems
are also typically functionally concentrated. For example, the MMI/HMI function will be concentrated in operator station and
the control function will be concentrated in a basic or multifunction controller. I believe that future DCS will locate more of
the control function closer to the equipment under control via Fieldbus and the like, and will provide more generic access to
the DCS data and functions.
Breve curso de Lógica borrosa y control borroso (fuzzy)
Introducción
La lógica borrosa (Fuzzy Logic) ha surgido como una herramienta lucrativa para el control de subsistemas y procesos
industriales complejos, así como también para la electrónica de entretenimiento y hogar, sistemas de diagnóstico y otros
sistemas expertos. Aunque la lógica borrosa se inventó en Estados Unidos el crecimiento rápido de esta tecnología ha
comenzado desde Japón y ahora nuevamente ha alcanzado USA y también Europa. La lógica borrosa es todavía un boom en
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Japón, el número de cartas patentando aplicaciones aumenta exponencialmente. Principalmente se trata de aplicaciones
más bien simples de lógica borrosa.
Lo borroso ha llegado a ser una palabra clave para vender. Los artículos electrónicos sin componentes borrosos se están quedando gradualmente desfasados. Como una mordaza, que muestra la popularidad de la lógica borrosa, cada vez es más frecuente un sello con "fuzzy logic" impreso sobre el producto.En Japón la investigación sobre lógica borrosa es apoyada ampliamente con un presupuesto enorme. En Europa y USA se están realizando esfuerzos para alcanzar al tremendo éxito japonés. Por ejemplo, la NASA emplea lógica borrosa para el complejo proceso de maniobras de acoplamiento.
La lógica borrosa es básicamente una lógica multievaluada que permite valores intermedios para poder definir
evaluaciones convencionales como sí/no, verdadero/falso, negro/blanco, etc. Las nociones como "más bien caliente" o "poco
frío" pueden formularse matemáticamente y ser procesados por computadoras. De esta forma se ha realizado un intento de
aplicar una forma más humana de pensar en la programación de computadoras. La lógica borrosa se inició en 1965 por Lotfi
A. Zadeh, profesor de ciencia de computadoras en la Universidad de California en Berkeley.
¿Qué es un conjunto borroso?
La noción más básica de sistemas borrosos es un (sub)conjunto borroso.
Veamos un ejemplo:
En primer lugar consideramos un conjunto X con todos los números reales entre 0 y 10 que nosotros llamado el
universo de discurso. Ahora, definimos un subconjunto A de X con todos números reales en el rango entre 5 y 8.
A = [5,8]
Ahora mostramos el conjunto A por su función característica, es decir esta función asigna un número 1 o 0 al
elemento en X, dependiendo de si el elemento está en el subconjunto A o no. Esto conlleva a la figura siguiente:
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Nosotros podemos interpretar los elementos que han asignado el número 1 como los elementos que están en el
conjunto A y los elementos que han asignado el número 0 como los elementos que no están en el conjunto A.
Este concepto es suficiente para muchas áreas de aplicación. Pero nosotros podemos encontrar fácilmente
situaciones donde carece de flexibilidad. Para comprender este concepto veamos un ejemplo:
Queremos describir el conjunto de gente joven. Más formalmente nosotros podemos denotar
B = {conjunto de gente joven}
Como - en general - la edad comienza en 0, el rango más inferior de este conjunto está claro. El rango superior, por otra
parte, es más bien complicado de definir. Como un primer intento colocamos el rango superiora en, digamos, 20 años. Por lo
tanto nosotros definimos B como un intervalo denominado:
B = [0,20]
Ahora la pregunta es: ¿ por qué alguien es en su 20 cumpleaños joven y al día siguiente no? Obviamente, este es un
problema estructural, porque si movemos el límite superior del rango desde 20 a un punto arbitrario podemos plantear la
misma pregunta.
Una manera más natural de construir el conjunto B estaría en suavizar la separación estricta entre el joven y el no
joven. Nosotros haremos esto para permitir no solamente la (crispada) decisión "él/ella SI está en el conjunto de gente joven"
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o "él/ella NO está en el conjunto de gente joven", sino también las frases más flexibles como "él/ella SI pertenece un poquito
más al conjunto de gente joven" o "él/ella NO pertenece aproximadamente al conjunto de gente joven".
Pasamos a continuación a mostrar como un conjunto borroso nos permite definir una noción como "él/ella es un poco
joven".
Tal y como constatamos en la introducción podemos usar conjuntos borrosos para hacer computadoras más sabias, y
ahora tenemos que codificar la idea más formalmente. En nuestro ejemplo primero codificamos todos los elementos del
Universo de Discurso con 0 o 1. Una manera de generalizar este concepto está en permitir más valores entre 0 y 1. De
hecho, nosotros permitimos infinitas alternativas entre 0 y 1, denominando el intervalo de unidad Yo = [0, 1].
La interpretación de los números ahora asignados a todos los elementos del Universo de Discurso es algo más difícil.
Por supuesto, el número 1 asignado a un elemento significa que el elemento está en el conjunto B y 0 significa que el
elemento no está definitivamente en el conjunto el B. El resto de valores significan una pertenencia gradual al conjunto B.
Para ser más concretos mostramos ahora gráficamente el conjunto de gente joven de forma similar a nuestro primer
ejemplo por su función característica.
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De esta forma unos 25 años de edad todavía sería joven al grado de 50 por ciento.
Ahora sabemos qué es un conjunto borroso. ¿Pero qué se puede hacer con él?
Operaciones con conjuntos borrosos
Ahora que tenemos una idea de lo que son conjuntos borrosos, podemos introducir las operaciones básicas sobre
conjuntos borrosos. Parecido a las operaciones sobre conjuntos booleanos nosotros también podemos interseccionar, unificar
y negar conjuntos borrosos. En su primerísimo artículo sobre conjuntos borrosos, L. A. Zadeh sugirió el operador mínimo para
la intersección y el operador máximo para la unión de dos conjuntos borrosos. Es fácil ver que estos operadores coinciden
con la unificación booleana, e intersección si nosotros únicamente consideramos los grados miembros 0 y 1.
A fin de aclarar esto, mostraremos varios ejemplos. Sea A un intervalo borroso entre 5 y 8, y B un número borroso
entorno a 4. Las figuras correspondientes se muestran a continuación:
La figura siguiente muestra la operación AND (Y) del conjunto borroso A y el número borroso B (el resultado es la línea
azul).
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La operación OR (O) del conjunto borroso A con el número borroso B se muestra en la próxima figura (nuevamente, es
la línea azul).
Esta figura da un ejemplo para una negación. La línea azul es la NEGACION del conjunto borroso A.
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El control borroso
Los controladores borrosos son las aplicaciones más importantes de la teoría borrosa. Ellos trabajan de una forma
bastante diferente a los controladores convencionales; el conocimiento experto se usa en vez de ecuaciones diferenciales
para describir un sistema. Este conocimiento puede expresarse de una manera muy natural, empleando las variables
lingüísticas que son descritas mediante conjuntos borrosos.
Ejemplo: El péndulo invertido
El problema está en equilibrar una pértiga sobre una plataforma móvil que puede moverse en dos únicas direcciones, a la
izquierda o a la derecha. Ante todo, nosotros tenemos que definir (subjetivamente) cual es la velocidad del anden: alta, baja,
etc. Esto se hace para especificar las funciones pertenecientes al conjunto borroso:
negativo alto (celeste)
negativo bajo (verde)
cero (rojo)
positivo bajo (azul)
positivo alto (morado)
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Lo mismo se hace para el ángulo entre la plataforma y la pértiga, además de para la velocidad angular de este
ángulo:
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Apréciese que, para hacerlo más fácil, suponemos que al principio la pértiga está en una posición cercana a la central para
que un ángulo mayor de, digamos, 45 grados en cualquier dirección no pueda - por definición - ocurrir.
Ahora daremos varias reglas que dicen qué hacer en situaciones concretas:
Considere por ejemplo que la pértiga está en la posición central (el ángulo es cero) y no se mueve (la velocidad
angular es cero). Obviamente esta es la situación deseada, y por lo tanto no tenemos que hacer nada (la velocidad es cero).
Consideremos otro caso: el polo está en la posición central como antes, pero está en movimiento a baja velocidad en
la dirección positiva. Naturalmente nosotros tendríamos que compensar el movimiento de la pértiga moviendo la plataforma
en la misma dirección a baja velocidad.
De esta forma hemos constituido dos reglas que pueden ponerse en una forma más formalizada como esta:
Si el ángulo es cero y la velocidad angular es cero entonces la velocidad será cero.
Si el ángulo es cero y la velocidad angular es positiva baja entonces la velocidad será positiva baja.
Podemos resumir todas las reglas aplicables en una tabla:
| angulo
|
veloc | NA NB C PB PA
----------+------------------------------
v NA | NA
. NB | NB C
a C | NA NB C PB PA
n PB | C PB
g PA | PA
donde NA es una (usual) abreviatura para negativa alta, NB para negativa baja, etc.
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A continuación mostraremos como estas reglas pueden aplicarse con valores concretos para el ángulo y velocidad
angular. Para ello vamos a definir dos valores explícitos para el ángulo y la velocidad angular para operar con ellos.
Consideremos la situación siguiente:
Un valor actual para el ángulo:
Un valor actual para la velocidad angular:
Ahora mostraremos como aplicar nuestras reglas a esta situación real. Veamos como aplicar la regla
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Si el ángulo es cero y la velocidad angular es cero entonces la velocidad será cero.
a los valores que hemos definido.
Esta es la variable lingüística "ángulo" donde nos centramos en el conjunto "cero" y el ángulo actual:
Nos damos cuenta que nuestro valor real pertenece al conjunto borroso "cero" en un grado de 0.75:
Ahora mostramos la variable lingüística "velocidad angular" donde nos centramos en el conjunto borroso "cero" y el valor
actual de velocidad angular:
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Nos damos cuenta que nuestro valor real pertenece al conjunto borroso "cero" en un grado de 0.4:
Como las dos partes de la condición de nuestra regla están unidas por una Y (operación lógica AND) calculamos el
mín(0.75,0.4)=0.4 y cortamos el conjunto borroso "cero" de la variable "velocidad" a este nivel (según nuestra regla):
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Por su parte, el resultado de la regla
Si el ángulo es cero y la velocidad angular es negativa baja entonces la velocidad será negativa baja es:
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El resultado de la regla
Si el ángulo es cero y la velocidad angular es positiva baja entonces la velocidad será positiva baja es:
El resultado de la regla
Si el ángulo es positivo bajo y la velocidad angular es negativa baja entonces la velocidad será cero es:
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Estas cuatro reglas solapadas desembocan en un resultado único:
El resultado del controlador borroso es un conjunto borroso (de velocidad), así que tenemos que escoger un valor
representativo como salida final. Hay varios métodos heurísticos (métodos de claridad o defuzzification), uno de ellos es
tomar el centro de gravedad del conjunto borroso:
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El procedimiento completo se denomina controlador de Mamdani.
Aplicaciones de la lógica borrosa
Principalmente, miraremos la aptitud del control borroso en términos generales.
El empleo del control borroso es recomendable:
Para procesos muy complejos, cuando no hay un modelo matemático simple.
Para procesos altamente no lineales.
Si el procesamiento del (lingüísticamente formulado) conocimiento experto puede ser desempeñado.
El empleo del control borroso no es una buena idea si:
El control convencional teóricamente rinde un resultado satisfactorio.
Existe un modelo matemático fácilmente soluble y adecuado.
El problema no es soluble.
Definiciones
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Intersección de Conjuntos
Nosotros llamamos un nuevo conjunto generado desde dos conjuntos determinados A y B, intersección de A y B, si el
nuevo conjunto contiene exactamente esos elementos que están contenidos en A y en B.
Unificación de Conjuntos
Nosotros llamamos un nuevo conjunto generado desde dos conjuntos determinados A y B, unificación de A y B, si el
nuevo conjunto contiene todos los elementos que se contienen en A o en B o en ambos.
Negación de Conjuntos
Nosotros denominamos al nuevo conjunto que conteniendo todos los elementos que están en el universo de discurso
pero no en el conjunto A la negación de A.
Variables lingüísticas
Un variable lingüística es un quíntuple (X,T(X),U,G,M,), donde X es el nombre de la variable, T(X) es el término
conjunto (es decir, el conjunto de nombres de valores lingüísticos de X), U es el universo de discurso, G es la gramática para
generar los nombres y M es un conjunto de reglas semánticas para asociar cada X con su significado.
