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8/18/2019 Introducción a La Instrumentación de Procesos

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G7601026

Introducci

Introducción a laInstrumentaciónUtilizada en losProcesos

INST 6045027-25-82-07

ENERGY DEPARTMENT

Revisión: November 1999

Mediciones de los Procesos


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Introducción a la InstrumentaciónUtilizada en los Procesos

Resultados del AprendizajeAl completar este módulo, usted estará en capacidad de ....

Discutir la importancia y los propósitos de la instrumentación utilizada en

procesos industriales, y describir los componentes principales de un circuitoelemental de control de procesos.

Objetivos del AprendizajeAl completar cada objetivo, usted estará en condi ciones de hacer todo lo que se

indica a continuación:

1. Explicar los tres criterios operativos más importantes que serán solventados y

cumplidos por la instrumentación utilizada en los procesos de una planta.

2. Describir los propósitos y los conceptos generales de medición de procesos,

registros, indicación e instrumentación de alarma.

3. Realizar un esquema del montaje de un sistema básico de control de procesos,explicar el propósito de cada uno de los principales componentes, y describir circuitos de control abiertos y cerrados.

Introducción

En los momentos actuales, el control de procesos constituye uno de los objetivosmás fascinantes existentes, debido a las amplísimas posibilidades que existen para

su aplicación. Una comprensión cabal de los cuatro elementos principales de uncircuito de control, un conocimiento sólido de técnicas de medición, y una

imaginación inteligente, constituyen los ingredientes que garantizan unaaplicación exitosa de estrategias de control de procesos. En otros módulos, sediscutirá en mayor detalle estos temas e inclusive, se explorarán otros más

complejos.


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OBJETIVO UNOAl completar este objetivo, usted estará en capacidad de ....

Explicar los tres criterios operativos más importantes, que serán contemplados yresueltos por la instrumentación utilizada en una planta de procesamiento.

Material de Aprendizaje

CRITERIOS SOLVENTADOS POR INSTRUMENTACIÓN EMPLEADAEN PROCESOS

Una planta de procesamiento, está constituida por un arreglo de unidades de procesamiento, como por ejemplo: intercambiadores de calor, columnas de

destilación, reactores, y absorbedores que se encuentran integrados de una manerasistemática y racional. El objetivo global de la planta, consiste en convertir

materia prima en productos particulares, mediante la aplicación de energía y deuna manera segura y rentable. Una planta de procesamiento que ha sidocorrectamente diseñada, debería solventar los siguientes criterios:

Seguridad

La operación segura de una planta de procesamiento, constituye la

preocupación primordial, y ésta debe ser diseñada de tal manera, que permitala contención, con toda seguridad, de las presiones del proceso. Los materialesutilizados en su construcción, deben ser capaces de resistir las temperaturas y

concentraciones químicas para las cuales la planta fue diseñada.Adicionalmente, debería contar con un sistema de control, que sea capaz de

mantener los parámetros de los procesos, dentro de los límites operativos pre-establecidos, proporcionando de esta manera, un cierre (apagón) ordenado y preciso del equipo y una capacidad de funcionamiento segura, que esté exenta

de fallas.

Producción

Para poder maximizar los retornos sobre la inversión a los operadores de la planta, la planta de procesamiento debe ser diseñada de tal manera, que la

calidad y cantidad de los productos que van a ser elaborados, satisfagan oinclusive excedan las expectativas del diseño original. system that is capableof providing the necessary production and quality control. Para cumplir con

este objetivo, la planta de procesamiento debe contar con sistema de controlque sea capaz de proporcionar el adecuado control de producción y de calidad.

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Estándares del Medio Ambiente

La planta de procesamiento debe cumplir y seguir al pie de la letra, los

reglamentos y regulaciones federales, provinciales, municipales, y medioambientales, relacionados con la contaminación del aire y del efluente de la

planta, para que ésta pueda mantenerse operativa, evitando de esta manera,cualquier acción punitiva por agencias gubernamentales que controlan lacontaminación. Por ejemplo, el diseño de la planta debería incorporar un

método de tratamiento del efluente de la planta, antes de que sea descargado odespachado. La instrumentación puede desempeñar un papel muy importante

en el control de la contaminación, al monitorizar y controlar la descarga delefluente de la planta.

Estos requerimientos demuestran, con toda claridad, la necesidad que se tiene de

contar con mediciones precisas de los procesos y un control seguro y preciso de

todos los parámetros de estos procesos. Esto se logra, con un diseño adecuado yuna especificación precisa de los elementos en cada circuito de control, una

instalación técnica, una configuración concisa y una óptima calibración de cadaelemento del equipo.


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OBJETIVO DOSAl completar este objetivo, usted estará en capacidad de ....

Describir los propósitos y los conceptos generales de medición de procesos,registros, indicación, e instrumentación de alarma.


INSTRUMENTACIÓN PARA MEDICIÓN DE PROCESOS.

No está por demás enfatizar, la importancia capital que representa para una plantade procesamiento, las mediciones de los procesos. En los momentos actuales, latecnología de control de calidad y de control de procesos, depende de mediciones

precisas y repetidas, para poder garantizar un retorno seguro sobre las inversionesque cumpliría con las metas del diseño de la planta de procesamiento.

De manera general, los instrumentos de medición no son capaces de medir el parámetro del proceso de manera directa. En su lugar, los aparatos miden algún

otro parámetro y luego llega a ser una deducción acerca del parámetro deseado.Consideremos los dos ejemplos subsiguientes:

• Supongamos que es necesario determinar la temperatura de una habitación,

utilizando un termómetro de vidrio con alcohol. Es muy evidente, que en

realidad se está midiendo la expansión y contracción del alcohol con relacióna la temperatura de la habitación. Luego, la altura de la columna de alcohol es

entonces comparada a una escala calibrada, y se llega a una deducción de la latemperatura medida.

• Si la presión de vapor en una caldera, puede ser medida utilizando un

manómetro de presión común y corriente, la deflexión mecánica del elemento

de medición que se encuentra en el interior del manómetro, es lo que estásiendo en realidad medido, con relación a la presión de vapor. La deflexión de

este elemento de medición, es transformada en un movimiento angular, que provoca el desplazamiento del indicador que se encuentra conectado alelemento de medición, y esto se compara a una escala calibrada como una

medición de presión deducida.

Este fenómeno de deducción de medidas, hace que el instrumento realice unaconversión de una forma de energía a otra; en el caso del termómetro de lahabitación, conversión de energía calórica a energía mecánica. Este proceso de

conversión, incrementa la complejidad del instrumento y consecuentemente,aumenta las fuentes potenciales de un eventual error.


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La Figura 1 ilustra un aparato típico de medición de la temperatura de un sistemalleno. El instrumento utiliza la expansión volumétrica y la contracción del mediolleno, lo que a su vez, provoca una deflexión de un elemento de expansión en

espiral. La deflexión del elemento espiral, permite indicar la temperatura sobreuna escala calibrada a través de un enlace.


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Figura 1 Medición de Temperatura de un Sistema Lleno

Un instrumento de esta naturaleza, puede presentar varias fuentes posibles de

error, como por ejemplo:

1. Inmersión incorrecta de la bombilla en un medio medido.

2. Cambios en la temperatura ambiental, que provocarían una expansión o

contracción del tubo capilar.

3. Cambios en la presión atmosférica, que afectarían al elemento de

expansión aspiral.

4. Diferencias en altura entre la bombilla y el elemento de expansión espiral,que provocarían un cabezal hidráulico, que a su vez ocasionaría ladeflexión del elemento de expansión espiral, basada en cambios de altura,

en vez de cambios en temperatura.

5. Calibración incorrecta del sistema de enlace.

Existen técnicas específicas que se utilizan para compensar todas estas potenciales

fuentes de error; pero si queda algún error remanente, éste puede afectar negativamente la precisión general del instrumento.


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Los cuatro parámetros más comúnmente medidos en una planta de procesamiento,y que se los considera como los “cuatro grandes”: presión, temperatura, nivel y flujo. Estos cuatro juntos, representan aproximadamente el 80% de todas las

mediciones que se realizan en una planta de procesamiento típica. Entre el 20%restante, se incluye a: mediciones analíticas, y mediciones de la densidad,

humedad y velocidad.

Registro de Instrumentación

Parámetros de procesos como temperatura, presión, y flujo, requieren demediciones continuas en tiempo real. Si se desea hacer una revisión de estasmediciones, se deberá tomar las previsiones necesarias para capturar la magnitud

de los parámetros, con relación al tiempo. El registrador, o la grabadora que se veen la Figura 2, es un aparato que se utiliza para cumplir con este objetivo, y que

puede adoptar varias formas, dependiendo de la aplicación. El método usual

consiste en inscribir la medición del parámetro sobre un cuadro con relación altiempo. Estos cuadros pueden ser circulares o rectos, o pueden ser activados por

un mecanismo de tiempo. El parámetro del proceso es registrado por un esferoque deja una marca en el cuadro, con lo cual se obtiene un registro histórico delevento. La duración del registro o de la grabación, depende de la velocidad del

cuadro (base de tiempo) y de la longitud del papel del cuadro.

Figura 2Grabadora o Registradora de Cuadro Circular

© The University of Texas at Austin, Whalen, Bruce. This material has been copied under licence fromCANCOPY. Resale or further copying of this material is strictly prohibited.


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Además, de poder registrar parámetros de manera continua, en ocasiones, se podría desear hacer un registro de los parámetros de los procesos, de acuerdo aciertos intervalos de tiempo. Este método es utilizado para almacenar grandes

cantidades de parámetros de procesos, a intervalos pre-programados. Un aparatoconocido como una bitácora de datos o una unidad de tendencias históricas, se

utiliza para este propósito. Entonces, la información es recopilada de maneracontinua y puede ser almacenada durante días, meses o inclusive años. A partir dela información almacenada, se pueden establecer tendencias a largo plazo, y los

datos pueden ser utilizados para investigar fallas en la planta u otros problemasasociados.

Instrumentación de Indicación.

Para proporcionar una indicación visual de los parámetros de los procesos a losoperadores de la planta, se utilizan extensivamente indicadores en este tipo de

operaciones. Los indicadores pueden ser del tipo circular tradicional, del tipo

análogo lineal o con pantallas digitales. Los indicadores pueden colocarse en elcampo o colocarse sobre un panel en un cuarto de control.

Los indicadores circulares están calibrados y programados, para proporcionar unaindicación relativamente precisa de un amplio rango de parámetros de procesos.

Los mecanismos de indicación, se seleccionan para acoplarse a la señal del parámetro y al rango deseado de medición, y utilizan un indicador en una escala

calibrada para propósitos de señalización. En los últimos años, los aparatoscirculares han sido desplazados por indicadores lineales, que exhiben el parámetro del proceso, en forma de una barra que se encuentra en una escala

calibrada, como lo demuestra la Figura 3.

Figura 3 Indicador Dual

© Howard W. Sams & Co., Inc, Patrick, Dale. This material has been copied under licence from CANCOPY.Resale or further copying of this material is strictly prohibited.


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Unidades con pantallas digitales que proporcionan una indicación numérica del parámetro del proceso, han ido adquiriendo cada día más adeptos. Algunosindicadores, le pueden ofrecer al operador, la posibilidad de una indicación

análoga o digital, o inclusive, pueden exhibir ambas de manera simultánea.

Instrumentación de Alarma.El propósito que tienen los instrumentos de alarma, es de detectar, de manera

rápida y precisa, parámetros de procesos que se están desviando de los límites pre-determinados. El circuito de un instrumento de alarma, usualmente consiste

de un switch o de un aparato de cierre de contacto, como un aparato de campo, yun aparato que se encuentra al otro extremo, como por ejemplo, una corneta, unaluz o una campana. El circuito de alarma es normalmente digital y presenta dos

opciones que corresponden al estado de alarma y al estado de no-alarma. Losaparatos de campo, generalmente son switches de presión operados por

diafragma, para aplicaciones de presión / nivel, switches de sistemas llenos, para

aplicaciones de temperatura, y switches mecánicos, para detección de flujos. Losaparatos que se encuentran en el otro extremo, están diseñados para advertir al

operador de una condición indeseable, por medio de una señal visual/auditiva.Los aparatos que se encuentran en el otro extremo, frecuentemente estánconcentrados en un panel, que se conoce como el anunciador, que está diseñado

para advertir al operador, si el aparato está funcionando y para indicarle sulocalización.

La Figura 4 muestra un circuito típico de alarma, que ha sido diseñado paraactivarse, cuando la presión del vapor se incrementa demasiado. El detector es un

switch de presión, que se activa al cerrar los contactos del switch, a un nivel pre-

determinado. El aparato del otro extremo, está representado por un foco o una bombilla incandescente. Es posible combinar alarmas, para obtener señales deadvertencia de diferentes grados, por ejemplo, el circuito de alarma podría ser diseñado para dar una advertencia acera de una baja presión, y esto se conocer

como ABP (Alarma de Baja Presión); además, se podría incorporar un switchadicional al mismo circuito, y éste estaría programado para activarse a una

presión más baja, y se le conocería como alarma de muy baja presión (AMBP ).


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Figura 4 Alarma Típica de un Proceso


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Nota: El diagrama que se ve en la Fig. 4, utiliza alguna simbología que es típicade la industria de control de procesos. Estos símbolos representan un

lenguaje de comunicación universal en todo el mundo. The InternationalSociety for Measurement and Control (ISA) – la Sociedad Internacional

para Mediciones y Control, publica estándares que demuestran elusocorrecto de estos símbolos en diversas aplicaciones. Estos dibujosconstituyen un Diagrama de Procesos e Instrumentos (Process and

Instrument Diagram / P&ID). En módulos futuros, se describirán estosestándares en detalle, proporcionándole al estudiante, con las herramientas

necesarias para componer y leer estos documentos con toda eficiencia.


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OBJETIVO TRESAl completar este objetivo, usted estará en capacidad de ....

Realizar el diagrama del arreglo o montaje de un sistema elemental de control de procesos, explicar el propósito de cada componente principal, y describir un

control a base de circuitos abiertos y cerrados.


SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS

Para poder comprender, cómo estrategias de control de procesos funcionan, esnecesario conocer algo acerca de control manual y de control automático. La

estrategia de control, está compuesta de cuatro componentes principales. Estosson: el proceso, el elemento final de control, la medición, y el controlador. A

continuación se hace una breve descripción de cada uno de éstos.

El Proceso

El primer y más importante componente del control, es el proceso en si. El proceso puede definirse como un cambio físico o químico de materia, o como unaconversión de energía. Por ejemplo, un cambio en la temperatura, velocidad,

presión, potencial eléctrico … la lista es sumamente larga y diversificaca.Algunos procesos muy sencillos, que son muy comunes en la vida de todos losdías, son: el control de crucero en un automóvil, el calentamiento y enfriamiento

de edificios, el lavar una carga de ropa en una lavadora, inclusive algo tanelemental y sencillo, como eliminar el agua en un inodoro. La cantidad de

procesos que los individuos confrontan diariamente, es tan basta y numerosa, queéstos últimos tienden a ignorar lo metódico y detallado que cada uno de estos puede ser.

El Elemento de Control Final.

Para poder controlar un proceso, es necesario contar con un aparato o con una

máquina, que le permita al individuo interactuar con el proceso. A este aparato sele conoce como el Final Control Element (FCE) – Elemento de Control Final.

Este ultimo puede definirse como el aparato que regula el suministro del materialy/o energía, para afectar el valor deseado del proceso. Algunos ejemplos deelementos de control final, pueden ilustrarse al considerar alguno de los ejemplos

de procesos que se revisaron en el párrafo anterior. Por ejemplo: el crucero decontrol en un automóvil, manipula y controla el flujo de carburante hacia un

motor de combustión interna, simplemente abriendo o cerrando el carburador. Elcarburador representa el elemento de control final. En el ejemplo que tiene que


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ver con el calentamiento de un edificio, sería común utilizar una calderaalimentada con aire para este proceso. El elemento de control final en este caso,sería la válvula selenoide que se abre para permitir el flujo de gas natural, hacia la

caldera, dando inicio de esta manera, al proceso de intercambio de calor. Enrealidad, existen más aspectos complejos relacionados con estos sistemas; sin

embargo, para simplemente presentar los ejemplos de elementos de control finalque hemos proporcionado, no entraremos en más detalles.


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La Medición.

En este punto, la medición de un proceso parece algo casi normal. Cómo se toma

la decisión de abrir o cerrar una válvula dentro de un proceso, a menos que existaalgún dispositivo de medida de la variable del proceso que permita determinar su

estado actual? Además, en que momento se deberá dejar de administrar materialeso energía del proceso?. Estas decisiones pueden ser tomadas de mejor manera,luego de una lectura precisa de la variable involucrada en el proceso. Si

consideramos uno de los ejemplos anteriores: si un carburador tiene que abrirse ocerrarse para permitir que el vehículo acelere o desacelere, se requiere de una

medición de la velocidad del vehículo. Esto ultimo se determina, mediante un pequeño sensor conectado a la palanca de transmisión. Este sensor contabiliza elnúmero de rotaciones de la transmisión que están conectadas a las llantas del

vehículo. En realidad, el proceso consiste en monitorizar la transmisión r/min paracontrolar la velocidad del vehículo. Significa esto, que el proceso no está

midiendo, cuán rápidamente se está moviendo el automóvil?. En honor a la

verdad, el verdadero proceso consiste en controlar al motor r/min, simplemente por la adición o restricción de carburante al motor.

Esto aparentemente parece confuso, pero este ejemplo puede ser analizado, hastallegar a una conclusión lógica. En cada uno de los sistemas de propulsión de un

vehículo, existen enlaces mecánicos que transfieren fuerzas hasta el últimocomponente de la máquina; en este caso, el último componente está representado

por las llantas que se encuentran en contacto con la superficie de la carretera.Sería muy posible realizar una medición de las rotaciones del eje, o duplicar laseñal proveniente del velocímetro, en lugar de medir la rotación de la transmisión.

De cualquier manera, se obtiene el mismo tipo de información. El decidir donde

obtener una medición que sea representativa del proceso, es en ocasiones, unatarea difícil; sin embargo, luego de un estudio meticuloso del proceso, estosvalores pueden ser medidos con toda precisión.

El Controlador

El controlador es considerado como “el cerebro” del sistema, ya que toma lasdecisiones correctivas para mantener el proceso a una condición predeterminada.

Consecuentemente, un controlador puede definirse como un aparato que operaautomáticamente para regular una variable controlada. En el ejemplo del

calentamiento de un edificio, el controlador estaría representado por el termostato.Un termostato tiene un dispositivo de medida incluido en su construcción, de talmanera, que no podría considerarse como un ejemplo completamente puro de un

controlador. Sin embargo, la porción controladora de un típico termostatoresidencial, cuenta con un switch de mercurio, que establece o rompe contactos,

para abrir o para cerrar la válvula selenoide que proporciona carburante a lacaldera. La apertura o cierre de la válvula, implica un proceso de toma de


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decisiones. De esta manera, un controlador toma una decisión y luego transmiteeste mensaje al elemento de control final, para provocar un cambio en el proceso.


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En la Fig. 5 se puede observar cada uno de los elementos básicos de un sistema decontrol, y las posiciones respectivas que ocupan dentro de tal montaje.

Figura 5Circuito de Control con Feedback

© Chilton Book Company, Norman A. Anderson. This material has been copied under licence from CANCOPY.Resale or further copying of this material is strictly prohibited.

Esta configuración tiene la forma de un circuito, y por ello el término “circuito decontrol“, fue adoptado y se ha convertido en un estándar de la industria paradescribir el sistema. El controlador compara dos valores, para determinar qué

acción va a emprender. Como se indicó previamente, el proceso es medido y el

controlador tiene que formular una acción que permita corregir el proceso. Elvalor medido es comparado a un valor conocido como testigo. Este es ingresadoal controlador como el valor deseado para la variable del proceso. Por ejemplo, sila temperatura bajara, es natural que los habitantes de una casa prendan los

termostatos, para aumentar el calor en el interior del hogar. Esta acción de“setting” (setear) el termostato, les permite a los habitantes elegir el calor

deseado de temperatura para el interior de la casa. El controlador respondeautomáticamente, comparando el nuevo testigo con la temperatura actual, y setoma una decisión. Debido a que el nuevo testigo , seguramente tendrá una

temperatura superior a la temperatura que reina en la casa, el controlador enviaríauna señal al elemento de control final, obligándole a que se abra y que suministre

carburante a la caldera.


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Circuitos de Control Abiertos y Cerrados .

En cada uno de los ejemplos previos, enumerados en este módulo, el tipo de

control en cuestión sería un control de circuito cerrado. Esto puede describirse demejor manera, al demostrar el funcionamiento de un control de circuito abierto, y

luego observando la diferencia existente entre los dos. Un control de circuitoabierto, cuenta con todos los elementos de un circuito de control, con la excepcióndel controlador automático. Para que pueda existir un control en este formato,

tiene que existir un tomador de decisiones, que en este caso está representado por un ser humano.

Considerando nuevamente el ejemplo del control crucero de un automóvil, uncontrol de circuito abierto estaría representado por la manera en la cual el

vehículo es conducido, sin un control crucero. El conductor toma las decisionesrelacionadas con la posición del acelerador (que en último término afecta la

posición de propulsión del carburador), simplemente aplastando o aliviando el

pedal del acelerador. La medición o medida que el conductor utiliza para evaluar la velocidad adecuada, se exhibe en el velocímetro. El conductor debe ser capaz

de elegir una adecuada y segura velocidad operativa (o más precisamente, unaadecuada tasa de velocidad), para conducir el vehículo hacia su destino. Si elconductor elige utilizar el control de crucero automático durante un viaje largo y

sostenido, simplemente activa el controlador con un rápido movimiento delswitch. En este caso, cuando el control crucero ha sido activado, el circuito se

cierra y el conductor ya no tiene que preocuparse del control de la velocidad.


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Módulo de Auto Examen.

Indicaciones:

• Conteste las siguientes preguntas.

• Compare sus respuestas a las de la guía de respuestas anexa.

• Si está en desacuerdo con alguna de las respuestas, revise el módulo y/o consulte con su instructor.• Si no hay problemas, continúe con el siguiente objetivo o el siguiente examen.

1. Enumere los tres más importantes criterios operativos de lainstrumentación empleada en una planta de procesamiento.

2. La medición de un proceso, generalmente constituye una medicióndeducida de algún otro parámetro. Proporcione dos ejemplos de esto,

indicando la medición deseada y la medición deducida.

3. Indique los cuatro parámetros de procesos más comúnmente medidos en

una planta de procesamiento típica.

4. Proporcione un ejemplo de un instrumento de alarma, de un aparato decampo y el aparato que se encuentra en el otro extremo.

5. En cuál de las siguientes maneras, una grabadora o un registrador decuadro exhibe los parámetros de un proceso?

(a) Con relación a otro parámetro del proceso

(b) Con relación al tiempo.

6. Identifique los cuatro elementos principales de un simple circuito de

control por feedback.

7. Al colocar al controlador en la posición manual dentro de un típicocircuito de control de procesos, hará que:

(a) Se abra el circuito(b) Se cierre el circuito

(c) No afectará al circuito


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Módulo de Respuestas del Auto Examen

1. seguridad, producción, medio ambiente.

2. Deseada: flujo Deducida: Diferencial de presión

Deseada: presión Deducida: Deflexión mecánicaDeseada: temperatura Deducida: Expansión de un fluido

3. presión; temperatura; nivel; y flujo

4. Aparato de campo: switch de presión

Aparato en el otro extremo: foco de luz

5. (b) con relación al tiempo

6. Controlador, elemento de control final, proceso, elemento de medición.

7. (a) abre el circuito.


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Asignatura o Tarea.

1. Realice un diagrama de un aparato de medición de temperatura de un

sistema lleno y luego indique los factores que podría afectar la precisióndel sistema.

2. Diseñe un simple circuito de alarma que proporcionaría una advertenciaaudible a un operador, en caso de que el nivel de un tanque se incremente

demasiado.

3. Decriba brevemente los siguientes componentes de un circuito de controlde un proceso:

a) el proceso b) la medición

c) el elemento de control final

d) el controlador


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