Introducción a la Instrumentación Industrial para el Control de ProcesosEscrito por José Carlos Villajulca    

En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por el operador (hoy aún existe este tipo de control en muchas fábricas); la labor de este operador consistía en observar lo que está sucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y hacía algunos ajustes (como abrir la válvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador. Este lazo - proceso a sensor, a operador, a válvula, a proceso - se mantiene como un concepto básico en el control de procesos.

 

En el control manual, sin embargo, sólo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errático; más aún, esta persona estará siempre limitada por el número de variables que pueda manejar.

 

 

Por otro lado, la recolección de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, que ya está dedicando tiempo importante en la atención de los procesos observados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir números y datos, que evidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se puede conjugar en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletos y difíciles de manejar.

 

 

El control automático a diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales. Adicionalmente a esto, existen una serie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para lograr cumplir con varias funciones, algo que como se ha comentado, sería imposible de ser logrado por un operador con la precisión y eficiencia deseados.

 

 

Un poco de Historia siempre es bueno

 

El control de los primeros procesos industriales se basó en la habilidad de los operadores (control manual). En los años siguientes, la aparición de los consoladores locales permitió al operador manejar varios lazos de control, pero subsistía aún el problema de recolección de datos. Los controladores locales son aún muy útiles, así como también resistentes y simples. Sin embargo, debido a que están directamente relacionados con el proceso y por lo tanto están diseminados a través de toda la planta, obviamente hace que el realizar mantenimiento y ajustes en dichos instrumentos demande mucho tiempo.

 

El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente marcó un mayor avance en el control de procesos. Aquí las variables pueden ser convertidas en señales neumáticas y transmitidas a controladores remotos. Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumático realizaba simples cálculos basados en una señal de referencia (set point) y la variable del proceso y ajusfar adecuadamente el elemento final de control. La ventaja estaba en que el operador podía controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizar los cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radicaban en la lentitud de la respuesta del sistema de control de cambios rápidos y frecuentes y a su inadecuada aplicación en situaciones en que los instrumentos estén demasiado alejados (pérdidas).

 

Alrededor de los 60, los dispositivos electrónicos aparecieron como alternativa de reemplazo a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos para un lazo cerrado, son rápidos, precisos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos; sin embargo, la mejora en cuanto a operación con respecto a los neumáticos era relativamente pequeña y además la recopilación de datos, aún no muy fácil de manejar.

 

Algún tiempo después de la aparición de los sistemas de control electrónicos analógicos, el desarrollo de los microprocesadores permitió el surgimiento de los transmisores y controladores digitales, así como de los controladores lógicos programables (PLC), además, de sistemas especializados como por ejemplo, las máquinas de control numérico computarizado (CNC)

 

El empleo de las computadoras digitales no se hizo esperar; de su aplicación, aparecen los sistemas de control digital directo (DDC), hasta los sistemas de supervisión y control actuales, con los cuales se logra manejar un gran número de procesos y variables, recopilar datos en gran cantidad, analizar y optimizar diversas unidades y plantas e incluso, realizar otras actividades, como planificación de mantenimiento, control de calidad, inventario, etc

 

Independientemente de la tecnología, la evolución de las técnicas de control han tenido como uno de sus objetivos fundamentales, reemplazar la acción directa del hombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos y sistemas automáticos, sin embargo, existe una analogía muy clara entre estos últimos y el hombre, en los que respecta a la forma de actuar

 

El tipo de proceso elegido para un determinado producto final dependerá de sus requerimientos de producción y cantidades. En cualquier caso, para el control del mismo es necesario tener un conocimiento acerca de la instrumentación utilizada y en general de los aspectos mecánicos relacionados al proceso. El control óptimo sin embargo, no solamente está en función de los dispositivos, equipos y sistemas a emplear, sino fundamentalmente del conocimiento del proceso que se desee controlar.

 

 

Instrumentos y equipos para el Control y Automatización de Procesos

 

Industrialmente, los instrumentos se utilizan para monitorear y controlar variables de procesos. Dependiendo del tipo de procesos, como veremos más adelante, se seleccionan los componentes del mismo. A continuación se muestra un diagrama en bloques de un sistema de control de lazo cerrado o realimentado. No es la única forma de controlar un proceso, pero nos va a servir para identificar las funciones de los principales instrumentos de campo y panel utilizados para medir y controlar variables industriales.

 

Aquí el proceso puede ser físico o una reacción química o conversión de energía. Existen distintos tipos de disturbios que afectan las condiciones del proceso. Estos disturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso.

 

 

La variable controlada, es el parámetro que se desea controlar hasta el valor deseado o referencia (set point). El sensor mide el valor de la variable controlada y el transmisor, cambia este valor en una señal normalizada que puede ser transmitida. Esta señal es recibida por distintos componentes, dependiendo de la función de los instrumentos en et sistema tales como registro, indicación, control y activación de alarmas o enclavamiento.

 

En el caso del controlador (en este caso un controlador de procesos), esta señal (wariable medida) es comparada con el set point y la diferencia (desviación) sirve para el elemento fina! de control (comúnmente una válvula) para ajusfar el valor de la wariable manipulada. Este ajuste, hace que el valor de la variable controlada se dirija hacia el de la referencia.

 

Desde luego, no todos los sistemas de control automático tienen exactamente este modelo (llamado de realimentación); existen variaciones como por ejemplo, él control prealimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre éstos, etc. basados en instrumentos de tecnologías antiguas o modernas; de todas estas tecnologías, vamos a referirnos a aquellas relacionadas con procesos continuos de regulación automática, como veremos más adelante.

 

Veamos ahora algunas consideraciones relacionadas a los componentes del diagrama anterior, desde los sensores hasta los elementos finales de control, mencionando también aspectos de otros instrumentos no considerados en aquel diagrama, pero que también tienen importancia en algunos lazos de control.

 

Cuales son los instrumentos de medición y control de procesos? ... Lo que no sabias de ellosEscrito por José Carlos Villajulca    

 

Que son los sensores? y lo que no sabes de ellos

 

Son los elementos que detectan o sensan cambios en el valor de la variable controlada. A menudo se denominan elementos primarios y en algunos casos forman parte de un bloque con el llamado transmisor o aquel que recibe la salida del sensor y adapta esta señal con fines de transmitirla; a este conjunto se la denomina transductor.

En general, la respuesta de un sensor determina cuan bien se va efectuar la medición, el registro o control de una variable; y su selección es el resultado de conocer bien las características de un proceso. Algunas de las características más importantes de un sensor o transductor que definen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolución, etc. Otro aspecto importante es el denominado tiempo de respuesta o tiempo necesario para que el dispositivo entregue la información final. En la medida que este retardo se pueda minimizar, se tendrá un mejor control del proceso

 

Los retardos de medición implican errores mientras el proceso está cambiando. La medición no es sólo tardía, sino también inexacta, debido a que sigue cambiando, aún teniendo ya una lectura disponible. A más lentitud en la respuesta, más inexactitud en la medición cuando sea recibida. Un disturbio de corta duración, sin embargo, puede ser completamente indetectado si su duración es corta comparada con el retardo de medición. En ese caso, probablemente el disturbio tendrá mínimo efecto en el proceso

 

La capacidad térmica de un sensor es función de su tamaño, forma y material. La resistencia al flujo de calor, sin embargo, depende de la naturaleza del fluido y de su velocidad. Como ejemplo, la curva de respuesta de una termocupla expuesta colocada en un fluido a temperatura, es una curva exponencial que llega al 83% de su amplitud final en un tiempo menor que al de una termocupla dentro de un termopozo. La diferencia en retardo se debe a la mayor capacidad (aumento de masa) del segundo sensor. En general, para cualquier variable a ser medida, estas consideraciones acerca del tiempo de respuesta son gravitantes en la respuesta de los otros elementos e instrumentos que existen en un determinado sistema de control.

 

Fig. 3 - Termocupla dentro de un termopozo

Que son en si los transmisores?

 

 

Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las electrónicas las cuales han ido reemplazando en el tiempo a las neumáticas como señales aplicadas a estos equipos; las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor.

 

Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente, de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 -100% de la variable. Esta señal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumáticos en Estados Unidos. En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0,2-1 kg/cm2 que equivale aproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las señales neumáticas mencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como señales de entrada a válvulas de control o a sus posicionadores.

 

Los transmisores electrónicos generan varios tipos de señales eléctricas de corriente continua y señales digitales. Entre las primeras, las más empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La señal electrónica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas, emplea sólo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamente sobre miliamperímetros, potenciómetros, calculadores analógicos, etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la señal. El "cero vivo" con el que empieza la señal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avería por corte de un hilo (la señal se anula) y de permitir el diferenciar todavía más el "ruido" de la transmisión cuando la variable está en su nivel más bajo.

 

Los transmisores electrónicos se pueden catalogar en analógicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analógicos están hoy prácticamente en desuso y debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

 

La tecnología actual, ha hecho que los transmisores electrónicos, no sólo incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que además, tengan posibilidades de control (PID) sobre e! elemento final de control. A estos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre los analógicos como veremos más adelante Por otro lado, el empleo cada vez mayor de señales digitales en estos transmisores determinará en algún momento la estandarización de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la señal analógica de 4-20 mA.

 

Fig. 4 - Transmisores Digitales

Y los controladores?

Tal como se ha comentado, el controlador es el que determina las acciones necesarias para mantener las variables de un proceso en el valor deseado (controlador de procesos) ó también puede ser aquel que asegura las secuencias necesarias de producción en base a un programa preestablecido (PLC). Vamos a referirnos aquí al primero de ellos.

Un controlador de procesos (ó regulador), puede ser definido como un dispositivo que compara el valor de una variable medida (señal de entrada) al valor deseado (set point) para producir una señal de salida que mantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia para manipular la variable controlada. La tecnología de estos equipos ha variado desde neumáticos, hidráulicos hasta electrónicos, que son los empleados actualmente.

Anteriormente, se mostró un típico lazo de control automático con los componentes básicos: el elemento de detección (sensor) el elemento de medición (transmisor), el elemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (válvula u otro). Es de destacar que dos o más de estos elementos pueden estar formando un solo bloque, pero no es lo más usual.

Fig 5 - Controladores Digitales

Durante muchos, años se emplearon controladores neumáticos actuando con las señales neumáticas estándares antes mencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrónicos analógicos y digitales. Los primeros, prácticamente ya no se fabrican (aunque todavía se utilizan) y han sido reemplazados por los últimos, los cuales están basados en microprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores.

A que le llaman elementos finales de control?

 

Son aquellos que finalmente responden, dentro de un lazo de control para realizar un cambio en la variable controlada. En la mayoría de los procesos las válvulas de control, son las usadas, si se trata de: controlar variables como flujo, presión, nivel, temperatura o mezcla cíe componentes. La mayoría de los flujos de fluidos son controlados por válvulas neumáticas o eléctricas, en otros casos se emplean bombas; para servicios de gases a menudo se emplean válvulas especiales y para sólidos es común hablar de fajas transportadoras alimentadas y con control de velocidad electrónico.

 

Válvula

 de control  neumática

 

 

Algún

 otro elemento o instrumento mas? 

Dentro de este grupo podemos citar algunos dispositivos e instrumentos que realizan otro tipo de funciones como indicadores, registradores, conversores, alarmas e interruptores y elementos de funciones especiales.

En lo respecta a indicadores, se incluyen elementos que tienen escalas graduadas que pueden ser lineales o no; los indicadores pueden ser analógicos (con aguja indicadora o incluso con barras verticales de diferente color) o digitales que presentan la variable medida en forma numérica.

Los registradores proveen registros continuos de las variables medidas con respecto al tiempo, las cartas registradoras, usan esencialmente las mismas

escalas que los instrumentos indicadores, pero con una coordenada adicional para indicar tiempo: pueden ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables. Las velocidades de registro varían desde varios minutos por revolución hasta varios días por revolución, en el caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo a centímetros por hora, para los de carta de cinta. Actualmente se dispone también de los llamados registradores inteligentes (basados en microprocesadores) que van mucho más allá de registrar las tendencias de las variables (es posible hacer análisis, reportes, etc.) siendo la tendencia a dejar de emplear papel y más bien guardar los datos en memoria (acción hasta hace poco realizada solamente por los llamados data loggers) y mostrarlos en una pantalla de cristal líquido (LCD) o a través de una computadora.

El desarrollo de controladores electrónicos creó la necesidad de contar con dispositivos que convirtiesen señales de un tipo de energía a otro y de un nivel de señal a otro, como el conversor de corriente a presión para actuar sobre las válvulas neumáticas.

A menudo se requiere convertir señales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemas electrónicos que reciben señales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores que envían señales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizaría un conversor de corriente a corriente aunque ya hoy en día, esto constituye una opción de software y no de hardware, como también ha sucedido con los extractores de raíz cuadrada y otros dispositivos de cálculo debido al desarrollo de la tecnología digital.

Las funciones de alarma e interrupción, se utilizan ante condiciones anormales de un proceso. Los dispositivos empleados para estas funciones, pueden simplemente indicar o también realizar alguna acción de control. Adicionalmente, se pueden citar otros elementos que se usan en diversas aplicaciones, como por ejemplo, temporizadores, válvulas-solenoide, programadores, etc. cuyo uso va a depender del tipo de control y del proceso mismo.

 

Sensores de Presión: Lo básico ... pero lo importanteEscrito por José Carlos Villajulca   La primera tarea de un sistema automatizado consiste en obtener la información del proceso que está controlando. El contar con dispositivos é instrumentos que se encarguen entonces de medir correctamente las variables;de estos procesos es fundamental para el óptimo control de los mismos.

Existen diversas variables cuyas formas de medición son también muy variadas. Sin embargo vamos a describir principalmente las que son consideradas las más importantes en la mayoría de los procesos industriales: presión, temperatura, nivel y flujo.

 

 

MEDICIÓN DE PRESIÓN

 

Existen varias formas de clasificar los elementos o dispositivos medidores de presión. Una de ellas, los divide en aquellos denominados de balance de gravedad, los que emplean dispositivos de deformación elástica y los que utilizan elementos que entregan una respuesta eléctrica representativa de la presión medida. El tipo de presión que mayormente se mide en los procesos

industriales es la denominada presión manométrica que es la que tiene icomo referencia o punto de partida a la presión atmosférica. Para tal fin se emplean medidores llamados manómetros cuyas escalas están graduadas en diversas unidades. En la tabla siguiente podemos comparar las unidades más importantes:

 

Tabla I Comparación de unidades de presión

 

DISPOSITIVOS DE BALANCE DE GRAVEDAD

 

Miden presiones desconocidas, balanceándolas en contra de la fuerza gravitacional de líquidos; a pesar de que son más usados en laboratorio, encuentran aplicaciones en plantas industriales.

 

Dentro de los más usados se encuentran los manómetros de tubo en "U", los de tubo inclinado, los de cubeta y los de cubeta de tubo inclinado. En estos casos, el líquido manométrico a utilizar es el mercurio, aunque el agua también se usa cuando se trata de medir presiones bajas. Adicionalmente a estos dispositivos, se tienen la de tipo flotador y aquellos con líquido de sello que poco a poco van siendo dejados de lado por otros tipos de medidores.

 

 

ELEMENTOS DE DEFORMACIÓN ELÁSTICA

 

Son dispositivos que alteran su forma cuando son sometidos a presión. Dentro de estos, aparecen los tubos de Bourdon (en "C", en espiral y helicoidal), en donde la forma y tipo de material definen el rango de aplicación; también, se utilizan los denominados diafragmas,, cápsulas y fuelles, generalmente común en medición de presiones relativamente más bajas que para el caso de los tubos de Bourdon). Estos elementos han sido los más empleados en la fabricación de manómetros.

 

Fig 1 - Manometros

 

TRANSDUCTORES ELÉCTRICOS DE PRESIÓN

 

Cualquiera de los dispositivos de deformación elástica puede ser unido a un dispositivo eléctrico para formar un transductor eléctrico de presión. Estos, producen cambios de resistencia, inductancia o capacitancia. Dentro de los primeros se deben mencionar a las galgas extesisiométricas (strain gagas). Una galga extensiométrica es simplemente un alambre muy fino formando una grilla la cual está pegada a un papel especial. Cuando la grilla es afectada por la presión, ocurre un cambio de resistencia de acuerdo a la siguiente fórmula:

 

En donde p es la resistividad del alambre, L la longitud del mismo y A, el área de la sección recta.

 

Este tipo de transductor puede ser usado para detectar pequeños movimientos y por lo tanto pequeños cambios de presión. Las galgas extensiometricas utilizan circuitos con puente de Wheatstone para obtener una salida eléctrica. Otro tipo de transductor similar emplea un disco elástico en el cual, el elemento de deformación es de silicio y está sellado en un fluido con silicona y protegido por un diafragma.

 

El sensor tipo capacitivo consiste de dos placas1 conductivas y un dieléctrico. A medida que aumenta la presión, las1 placas tienden a apartarse, cambiando su capacitancia. El fluido que está: midiendo, sirve de dieléctrico.

 

Debido a que la medición de nivel y de flujo requieren en algunos casos medir presión diferencial, este tipo de presión es de gran importancia en los procesos industriales. Dentro de los dispositivosj más utilizados se emplean algunos cuya salida normalizada, los convierte en transmisores, sean neumáticos o electrónicos. En ambos casos se trata de instrumentos en donde una cápsula de

diafragma o sensor capacitivo sirve de sensor primario radicando desde luego la principal diferencia en la estructura de salida (transmisión).

Figura 2 Transductores de presión

Sensando Temperatura: conociendo mas detallesEscrito por José Carlos Villajulca    

La temperatura es una variable, que a diferencia de otras, debe ser medida en términos de los efectos indirectos que tiene sobre las propiedades físicas de los materiales o en los cambios producidos en circuitos eléctricos (voltaje o resistencia). Cambios como estos, deben relacionarse con fenómenos reproducibles en laboratorio, tales como los puntos de ebullición y congelación del agua. Los puntos de calibración en laboratorios son a menudo basados en las temperaturas en las cuales existe un equilibrio líquido - vapor de sustancias puras, como oxígeno, agua, sulfuro, plata y oro.

 

Medidores locales: Los Termómetros

 

Sobre un periodo de años, por lo menos cinco escalas de temperaturas diferentes se han usado en la medición de esta variable. Las dos más comúnmente usadas, Fahrenreit y Centígrada, usan alcances (span) arbitrarios de 180°F y 100°C respectivamente para los puntos de ebullición y congelación del agua. Otras dos escalas (RankSne y Keiwin) que tienen como referencia el cero absoluto.

 

Desde un punto de vista histórico, el primer dispositivo práctico para medir temperatura fue el termómetro de vidrio, es por eso que empezaremos por él para examinar las diversas formas que existen para medir temperatura.

 

Termómetros de Vidrios Las sustancias minerales se contraen o expanden una cierta cantidad por cada grado de cambio de temperatura. Este es el principio de la expansión térmica. Cuando se aplica calor a un termómetro de vidrio que contiene por ejemplo mercurio, éste se expande más que el bulbo de vidrio que lo contiene. La diferencia en expansión, obliga al mercurio a subir por un tubo capilar en forma uniforme con respecto al cambio de temperatura, de modo tal que con calibrar el tubo con una determinada escala, se tendrá una lectura directa de la temperatura. Los termómetros con mercurio se pueden usar desde 33°F a +800°C. Sin embargo, para temperaturas muy bajas se utilizan termómetros que contienen alcohol (-300°C a +600°C).

 

Termómetros Bimetálicos: La operación de estos dispositivos se basa en el principio de que los metales diferentes tienen diferentes coeficientes de expansión térmica. Si dos aleaciones metálicas diferentes son soldadas formando un espiral se tiene el elemento bimetálico. Cuando este conjunto es calentado, tiende a desarrollarse debido a la diferente expansión térmica de cada aleación. Si se conecta un puntero al espiral por medio de un eje, el puntero se moverá e indicará la temperatura sobre una escala circular calibrada.

 

Termometros Bimetalicos

 

Sistemas térmicos de llenado

 

Uno de ¡os sistemas más antiguos para medir temperatura se basa en el uso de termómetros actuados por presión, que utiliza sistemas "de llenado" (sistemas llenos con líquido, gas o vapor) que responden a las variaciones de temperatura. Todos los fluidos, sean líquidos, vapores o gases, se expanden cuando son calentados y se contraen cuando son enfriados.

 

Este fenómeno se utiliza para expandir un elemento de presión, usualmente un tubo de Bourdon el cual transmite el movimiento a un indicador o asociados a

otros elementos para transmitir o registrar. Son básicamente sistemas sencillos y robustos que sin embargo han ido desapareciendo dejando su lugar a otros tipos de formas de medición que veremos a continuación.

 

 

Métodos eléctricos para medir temperatura

 

Existen varias formas de obtener una señal eléctrica que represente a la temperatura medida. Dentro de éstas podemos señalar a los sistemas de medición que emplean termocuplas, RTD y otros.

 

- Las mas famosas: Las Termocuplas

 

La termocupia es una de los más simples y^ comunes métodos usados para determinar la temperatura de procesos. Cuando se requiere una indicación remota o cuando se necesita displayar la temperatura de varios puntos, este método es el más apropiado. En 1821 TJ. Seebeck descubrió que cuando se aplicaba calor a la unión de dos metales distintos, se generaba una fuerza electromotriz, la cual puede ser medida en otra juntura (fría) de estos dos metales (conductores); estos conductores forman un circuito eléctrico y la corriente circula como consecuencia de la f.e.m. generada. Esto es válido siempre y cuando las temperaturas en las dos uniones sean distintas.

 

 

Figura

 

 

Para una determinada combinación de materiales, el voltaje de salida (en milivoltios) varía en proporción directa a la diferencia de temperatura entre dichas uniones o junturas. Para que la medida corresponda a la temperatura real, la juntura fría (físicamente localizada a la entrada del instrumento receptor) debe mantenerse constante, comúnmente referida a cero grados centígrados. Para lograr han aparecido en el tiempo varios métodos, siendo actualmente utilizada la electrónica para tal fin.  La juntura de medición (unión caliente) desde luego, estará ubicada en el lugar en donde se requiere medir temperatura.

 

Fig 3 - Efecto Seebeck

 

 

Para temperaturas moderadas (hasta alrededor de 260 °C), combinaciones de hierro y cobre, hierro y constantán (aleación de cobre y níquel) son usadas frecuentemente. A altas temperaturas (hasta alrededor de 1640 °C), los hilos son fabricados de platino o aleación de platino y rodio.

 

Diferentes tipos de termocuplas

 

A las termocuplas se les designa comúnmente con una letra. Así por ejemplo, una termocupla tipo J es de hierro / constantán (la barra de separación es para indicar los materiales de cada hilo) y una de tipo K es de cromel / alumel (el cromel es una aleación de cromo y níquel y el alumel es de aluminio y níquel).

 

Figura 5 Termopozo (cortesía de Ómega)

 

 

Existen varias combinaciones usadas en la fabricación de termocuplas y la selección adecuada de estos sensores depende de su rango de utilización, salida en mV /°C y los errores máximos en la medición, además de las características mecánicas deseadas. Las termocuplas no siempre están en contacto directo con el proceso. A menudo se emplean elementos protectores que a la vez permiten remover una termocupla sin interrumpir el proceso. Tal es el caso de los termopozos.

 

 

Los no menos famosos, los RTD's

Estos dispositivos cuyas siglas en inglés significan detectores resistivos de temperatura, han sido usados durante años y aún son muy populares en la actualidad. Se basan;en el aumento de resistencia de un hilo conductor con el incremento de la temperatura. La magnitud de este cambio con respecto al cambio de temperatura en él, se llama "coeficiente térmico de resistencia" del material conductor.

 

Para la mayoría de metales puros, este es constante sobre cierto rango de temperatura. Por ejemplo, el coeficiente del platino (a )es 0.00392 ohm / (ohm) (°C) sobre un rango de 0°C a 100°C, teniendo una resistencia de 100 ohmios para una temperatura de 0°C, por lo que recibe el nombre de Pt -100. Para la mayoría de conductores, el coeficiente mencionado (a) es positivo. Comúnmente los materiales empleados incluyen platino, níquel, cobre, níquel - hierro y tungsteno. Entre todos ellos, el platino es el más usado debido a su característica lineal sobre la mayor parte de su rango; también el níquel, por su gran coeficiente de resistencia, aunque no tiene una característica lineal. Para el Pt -100, se puede utilizar la siguiente fórmula: para obtener la respuesta aproximada del sensor para una temperatura dada:

 

R = 100 (1 + a T)

 

Debido al diámetro tan pequeño del hilo utilizado en estos RTD (0.05 mm), su construcción incluye blindajes protectores contra choques mecánicos. A menudo las sondas de resistencia se fabrican con tres o cuatro hilos de salida con fines de eliminar los efectos de cambio de resistencia en los hilos de extensión por cambios de la temperatura ambiente. Los circuitos de medición comunes emplean puentes de Wheatstone.

 

 

 

Otros mas, termistores

 

Son semiconductores hechos de carbón, germanio, silicio y mezclas de ciertos óxidos metálicos, que exhiben coeficientes de temperaturas elevadas, usualmente negativos (NTC). Su característica es no lineal y exhiben los cambios más grandes en rangos de temperatura criogénicos por debajo de 100°K. Su resistencia es una función de temperatura absoluta. Las precisiones de estos dispositivos varían con el rango de temperatura. Por ejemplo, un sensor de germanio puede tener una variación de + 0.005°K sobre un rango criogénico de 1.5° a 5°K y de ± 0.1°K sobre un rango de 40° a 100°K. Esto incluso puede variar con el tiempo de uso del sensor.

 

Adicionalmente, al uso de los termistores como dispositivos de temperatura, se usan en regulación de voltaje, control de nivel de potencia, compensación de otros sensores de temperatura, control de temperatura y como detectores en analizadores.

 

 

 

Sensores de estado solido

 

Son pequeños transductores que convierten una entrada de temperatura en una corriente de salida; proporcional a ella. Son especialmente utilizados en aplicaciones dentro del rango de -55°C a 150°C en donde se requieren gran confiabilidad, linealidad y exactitud. Una de las aplicaciones más importantes es en la compensación de la juntura fría para sistemas de medición con termocupla.

 

 

Los Pirómetros, sin contacto con el proceso

 

Son dispositivos que miden temperatura por encima del rango aplicable a las termocuplas, a pesar: que ciertas aleaciones, permiten a estas últimas llegar a 3000°C aunque durante breves periodos. Algunos pirómetros pueden ser usados para medir temperaturas tan bajas como 0°C y tan altas como 5000°C con gran precisión.

 

Los pirómetros se clasifican en dos grupos; los denominados pirómetros de radiación total y los llamados pirómetros de radiación parcial. La pirometría de radiación usa la propiedad de la radiación térmica que es emitida por todos los materiales (excepto gases inertes) a una temperatura de cero absoluto. Es particularmente interesante debido a la no necesidad de contacto directo con el material cuya temperatura se quiere medir.

 

Los pirómetros de radiación más empleados actualmente son los infrarrojos que por la tecnología digital que poseen los hacen cada vez más versátiles que sus predecesores, permitiendo por ejemplo automáticamente hacer compensación; por variaciones de la temperatura ambiente, ajuste de emisividad, etc.

 

 

 

Figura 6 Pirómeíro de Radiación

Medidores de Nivel, un interesante resumen y muy completoEscrito por José Carlos Villajulca    

Los medidores de nivel pueden clasificarse en dos grupos generales: directos e indirectos. Los primeros aprovechan la variación de nivel del material (líquido o sólidos granulares) para obtener la medición. Los segundos, usan una variable, tal como presión, que cambia con el nivel del material. Para cada caso, existen instrumentos mecánicos y eléctricos disponibles.

Primara forma:  MEDICIÓN DIRECTA

 

Los primeros dispositivos usados para indicar nivel consistían de tubos de vidrio de modo tal que el operador viese el fluido de proceso. Con el correr del tiempo, los cristales planos del tipo reflexivo o transparente han reemplazado a los anteriores. En el caso de que el fluido sea peligroso (corrosivo, tóxico, etc.) como para emplear vidrio, se utilizan ¡os de tipo Éiagoético, en los cuales un imán instalado en un flotador permite el desplazamiento de un seguidor y este mecánicamente mueve un indicador relacionado a una escala graduada.

 

El empleo de flotadores es muy común, generalmente para acciones de control (interruptores de nivel). Del mismo modo los despSazadores, tienen acciones similares a los flotadores o boyas, con la diferencia que su movimiento, es más restringido. Cuando el nivel de líquido cambia, la cantidad cubierta por el desplazador, va creciendo a medida que este es sumergido. La fuerza es transferida a un sistema neumático a través de un eje y de allí al indicador.

 

Flotadores y transmisores

 

El método de contacto puede ser empleado para sólidos granulares o para líquidos; en estos casos se emplea una pesa o un flotador respectivamente. El inicio de medida se da por un pulsador o un temporizador, para poner la pesa o flotador conectado a un cable, en reposo sobre el material. Lo que se sensa realmente es la variación de la tensión del cable cuando se entra en contacto con los sólidos granulares o el líquido a medir.

 

La indicación del nivel se da por intermedio de un circuito eléctrico asociado al motor que sube y baja el cable. Los  sondas  eléctricas  propiamente  dichas, emplean  métodos conductivos, capacitivos y ultrasónicos para medición de nivel.

 

A causa de la distancia de los electrodos, la sonda de conductividad se asemeja a una bujía. Estos dispositivos son usados con líquidos conductores. Los electrodos se alimentan con corriente continua, siendo montados dentro del recipiente contenedor del líquido; cuando el líquido: toma contacto con cualquiera de los electrodos, una corriente eléctrica fluye entre el electrodo y tierra. Este método cuando se usa para algún tipo de control, es por lo general para actuar sobre una bomba.

 

Figura 7. Sensor de Nivel por conductividad

 

 

El método capacitivo utiliza una sonda como una de las placas de un condensador, siendo la otra placa el contenedor mismo. El material entre ellos, viene a ser dieléctrico. El cambio de nivel origina un cambio en la salida del circuito electrónico, proporcional al cambio de la capacidad por lo que este método es de indicación continua del nivel a diferencia del conductivo que sería entonces, uno discreto.

 

figura 8. Sensor- Transmisor Capacitivo

 

Los medidores del tipo ultrasónico se usan tanto para medición continua, como

discreta de nivel, aunque generalmente su uso está dado en acciones de alarma. En todos los diseños, se genera una señal en frecuencia y la interrupción o detección de la señal generada es la base para una acción de control (detectores discretos). En medición continua, se mide el tiempo transcurrido entre la emisión de la señal y la recepción de la reflejada.

 

Figura 9 Medición por ultrasonido

 

 

 

La otra forma: MEDICIÓN INDIRECTA

 

Varios tipos de dispositivos de medición indirecta de nivel son en efecto sensores de presión hidrostáticos. El más sencillo consiste en un manómetro ubicado en el nivel cero de un contenedor de líquido. Cualquier incremento de nivel causa un aumento de la presión hidrostática, la cual es medida con el manómetro. La escala del manómetro es graduada en unidades de nivel.

 

En el caso de método de burbujeo, se ; utiliza una tubería conectada verticalmente en el contenedor. El extremo con abertura de la tubería es ubicado en el nivel cero del contenedor. El extremo es conectado a un suministro de aire. Cuando se va a hacer la medición de nivel, el suministro de aire es regulado para que así la presión sea ligeramente más alta que la presión hidrostática. Este punto se encuentra al observar burbujas saliendo por el extremo inferior del tubo. Se lee entonces en el manómetro la indicación de nivel (pies, pulgadas, galones, etc.).

 

Un instrumento muy popular que utiliza el método por presión hidrostática es el

transmisor de presión diferencias; en realidad, este envía una señal normalizada proporcional a la diferencia de dos presiones, una debida al líquido cuyo nivel se desea   determinar  (entrada   alta)  y  otra   debida  a   la   presión atmosférica (entrada baja), siempre y cuando sea un sistema abierto (tanque abierto a la atmósfera). Para el caso de tanques cerrados, la entrada "baja" debe conectarse ya sea directamente en contacto con el gas encerrado en el extremo superior del depósito o utilizando un fluido de sello. En todo caso, la calibración adecuada permitirá una señal de salida (electrónica o neumática) proporcional al nivel.

 

Figura 10 Medición con transmisor de presión diferencial

 

Los dispositivos radliactiwos también pueden ser utilizados tanto para medición discreta como continua de nivel. Se utilizan fundamentalmente cuando el material a ser medido es muy corrosivo, cuando las temperaturas en el punto de medición durante el proceso son muy altas, o en general, cuando la situación no permite la instalación de elementos primarios dentro del recipiente de almacenamiento. En la aplicación de medición discreta o mejor dicho para detectar un determinado punto, la fuente radiactiva y su receptor, se montan a ambos lados del tanque al nivel deseado para la detección. Cuando el material se interpone entre el emisor y el receptor, se corta el suministro del material hacia

el recipiente. En la aplicación que requiere una medición continua del nivel por este mismo método, se utilizan varias fuentes radiactivas y uno o más detectores.

 

Figura 11 Método por radiactividad

 

 

Otro método indirecto para determinar el nivel de los materiales es medir el peso de los mismos, en forma mecánica o eléctrica. Los sistemas eléctricos utilizan las llamadas celdas de cargas basadas en galgas extensiométiicas (ya mencionadas anteriormente). A medida que las celdas son comprimidas por ei peso del material dentro del recipiente, también cambia la resistencia de ias galgas y por lo tanto varía la señal eléctrica a la salida del puente de Wheatstone usado en la medición. La medición puede ser analógica o digital y la escala estará calibrada en unidades de nivel.

Medición de Flujo: la variable mas medida de la industriaEscrito por José Carlos Villajulca    

La medición de flujo constituye tal vez, el eje más alto porcentaje en cuanto a medición de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia de esta, ya que sin mediciones de flujo, sería imposible el balance de materiales, el control de calidad y aún la operación de procesos continuos.

Existen muchos métodos para medir flujos, en la mayoría de los cuales, es imprescindible el conocimiento de algunas características básicas de los fluidos para una buena selección del mejor método a emplear. Estas características incluyen viscosidad, densidad, gravedad específica, compresibilidad, temperatura y presión, las cuales no vamos a detallar aquí.

 

Básicamente, existen dos formas de medir el flujo: el caudal y el flujo total. El caudal es la cantidad de fluido que pasa por un punto determinado en cualquier momento dado. El flujo total de la cantidad de fluido por un punto determinado durante un periodo de tiempo específico. Veamos a continuación algunos de los métodos empleados para medir caudal.

 

 

1     MEDICIÓN POR PRESIÓN DIFERENCIAL

 

Utiliza dispositvos que originan una presión diferencial debido al paso de un fluido por una restricción. La razón de hacer esto es que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presiones entre dos puntos, antes y después de la restricción. Uno de estos elementos es la placa - orificio o placa perforada. Allí, el fluido sufre una disminución de su presión, la cual es mínima en el punto denominado "vena contracta". Si bien es cierto, la presión tiende a recuperarse, existe al final una pérdida de presión.

 

Una placa- orificio se coloca en una tubería, sujeta entre dos bridas. La forma y ubicación del agujero son el rasgo distintivo de tres tipos de este dispositivo: la placa concéntrica, la excéntrica y la segmental; la selección de algunas de éstas depende de las características del fluido a medir. Existen tres tipos de tomas de presiones  a  ambos  lados  del  elemento  primario:  tomas de bridas,, tomas de tubería y tomas de vena contracta. Igualmente, aquí las características del fluido influirán en la elección de alguna de estas.

 

Típicamente se utiliza un transmisor de presión diferencial para la toma de las presiones y el envío de una señal que represente al flujo. A esta señal sin embargo se le debe extraer la raíz cuadrada para obtener una respuesta lineal con respecto al flujo. Antiguamente se empleaban instrumentos especiales para tal fin. Hoy, esta es una función de software en instrumentos digitales.

 

La placa perforada es finalmente, un elemento simple, barato, aunque no muy preciso, como otros dispositivos de presión diferencial. Aunque funcíonalmente es sujeta a la erosión y daño, es fácil de reemplazar.

 

Figura 12 Medición con placa - orificio y transmisor de presión diferencial

 

 

Otra restricción de tubería para la medición del flujo es el tubo Venturi, el cual es especialmente diseñado a la longitud de la "tubería". Tiene la forma de dos embudos unidos por sus aberturas más pequeñas y se utiliza para tuberías grandes; es más preciso que la placa-orificio, pero es considerablemente más costoso y más difícil de instalar.

 

Figura: Principio Venturi

 

Un promedio entre la placa-orificio y el tubo Venturi es la tobera de flujo, la cual asemeja la mitad de un tubo Venturi por donde entra el fluido; este dispositivo es tan preciso como el tubo Venturi, pero no tan costoso ni difícil de instalar. Las tomas de presión utilizadas para el tubo Venturi, están situadas en los puntos de máximo y mínimo diámetro de tubería. Para el caso de la tobera, se ubican según recomendaciones del fabricante.

 

Otro elemento primario para medir flujo por el método de presión diferencial es el Tubo Pilot, el cual en su forma más simple,consiste en un tubo con un orificio pequeño en el punto de medición (impacto).

 

 

 

Cuando el fluido ingresa al tubo, su velocidad es cero y su presión es máxima. La otra presión para obtener la medida diferencial, se toma de un punto cercano a la pared de la tubería. Realmente, e! tubo Pilot mide velocidad de fluido y no caudal y además no necesariamente el fluido debe estar encerrado en una tubería. Podría por ejemplo, ser usado para medir el flujo del agua de un río o flujo de aire ai ser suspendido desde un avión.

 

 

 

2     MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE

 

Se distinguen de los anteriores en que en aquellos existe una variación de presión, mientras el área permanece constante. Aquí sin embargo, lo que permanece constante es la presión diferencial, gracias a la suficiente variación del área. Uno de estos es el rotámetro el cual consta de un tubo cónico vertical que encierra un flotador; éste, dependiendo del caudal, toma una posición en el tubo que aumenta o disminuye el tamaño del área y así mantiene la presión constante. Una escala graduada dentro del tubo, estará calibrada en unidades de presión y así tener una lectura directa de la misma.

 

Los rotámetros se pueden fabricar con tubos de vidrio, metal y plástico. Estos dos últimos se utilizan cuando el fluido es muy corrosivo o my oscuro para permitir la colocación de una escala interna. En esos casos se usa un seguidor magnético relacionado a un imán colocado en el flotador interno y así transmitir mecánicamente la variación del caudal a un indicador.

 

 

3     MEDIDORES MAGNÉTICOS

 

Utilizan la ley de inducción de Faraday, que establece que cuando una corriente pasa por un conductor y existe un campo magnético en dirección transversal al mismo, se crea un potencial eléctrico proporcional a la corriente.

 

En la aplicación para medir caudal, se coloca un tubo aislado eléctricamente con un par de electrodos montados a ambos lados del tubo y rasantes con el fluido. Unas bobinas eléctricas se colocan alrededor del tubo de modo tal de generar un campo magnético en un plano perpendicular, tanto al eje del cuerpo del voltaje de salida es proporcional a la velocidad promedio del fluido; no interesa si este es laminar o turbulento. Además, es independiente de la viscosidad, densidad,

temperatura y presión.

 

Si bien es cierto, se requiere que el fluido tenga cierta conductividad mínima, la señal de salida no varía con el aumento de la conductividad, lo cual es una ventaja. En aplicaciones en donde es necesario medir flujo de masa, se puede lograr esto midiendo la densidad del fluido y multiplicando las dos señales.

 

 

Medidor magnético

 

4 MEDIDOR A TURBINA

 

Un instrumento de este tipo consiste de una rueda de turbina de precisión, montada en cojinetes de una porción de tubería, y una bobina electromagnética colocada en la pared de la tubería, causa el giro de la turbina a una velocidad que varía directamente con el caudal del fluido de proceso. La interrupción del campo magnético, con cada paso de cada hoja de la turbina produce un pulso eléctrico. La frecuencia de estos pulsos determina la velocidad del fluido.

 

 

 

 

5 MEDIDOR DE VÓRTICE

La forma de medición es parecida a la dé la turbina. Sin embargo, aquí un dispositivo fijo a la entrada de la tubería similar a una hélice, genera un movimiento rotatorio al fluido. Otro dispositivo, se encarga posteriormente de restablecer el caudal original al fluido. La oscilación de éste en el punto de medición, es proporcional al caudal. Estas oscilaciones producen variaciones de temperatura en un sensor colocado en el área, variaciones que luego se convierten en pulsos de voltaje qué son amplificados, filtrados y transformados en ondas cuadradas para ser luego ingresados a un contador electrónico.

 

Figura 13 Medidor vórtice

 

Existen otros medidores de caudal como son el de placa de impacto, que mide flujo, sumando la fuerza que el fluido desarrolla sobre un "blanco" que es una placa de disco; esta fuerza es proporcional a la raíz cuadrada del flujo, los de ultrasonido, que emplean un transmisor y un receptor (a veces instalados en el mismo receptáculo) para medir la desviación en frecuencia en la señal del transmisor, debido a la velocidad del fluido.

 

En los casos de medición de caudal en canales abiertos, se pueden mencionar la represa, la tobera abierta y los vertederos en donde básicamente se mide nivel de fluido, que varía; al pasar por estos dispositivos. Un pozo quieto adyacente al canal tiene un sensor de nivel (generalmente un flotador), cuya posición vertical varía en función del caudal.

 

 

6     MEDIDORES DE FLUJO TOTAL

 

Dentro de este tipo de dispositivos se tienen los denominados medidores de desplazamiento positivo, los cuales, separan la corriente de flujo en incrementos volumétricos individuales y cuentan dichos incrementos.

 

Los medidores son fabricados de modo tal qué cada instrumento volumétrico es conocido en forma precisa y la suma de estos incrementos da una medida muy aproximada1 del volumen total que pasa a través del medidor. La mayoría de los medidores de desplazamiento positivo son de tipo mecánico y usados principalmente para medir cantidades totales del fluido a ser transferido y a menudo se asocian a otros dispositivos para lograr acciones de indicación, registro o control. Entre los más utilizados, figuran los de disco oscilante, pistón oscilante, cicloidal, oval, birrotor, etc.

 

Los medidores de flujo de masa en sus diversos tipos y los computadores de flujo, constituyen hoy en día una muestra del avance de la tecnología en la medición de esta variable.  El medidor tipo Coriolis es un ejemplo de los primeros. Aquí el fluido fluyendo a través de un tubo vibrante causa una deflexión en el tubo proporciona! al flujo de masa. Estos medidores tienen gran exactitud.

Variables Analíticas: como las medimos??Escrito por José Carlos Villajulca    

Los procesos de producción continua involucran la conversión tíe materias primas o la combinación de varios ingredientes para lograr un producto final. El poder medir y controlar las propiedades físicas y químicas de los ingredientes de un producto es esencial para lograr una calidad satisfactoria del mismo. Esto se logra con instrumentos llamados analizadores.

Existen muchos de estos dispositivos, que en algunos casos requieren complicados sistemas de muestreo y sensores especiales; aquí discutiremos brevemente la medición de sólo algunas propiedades físicas y químicas.

 

 

DENSIDAD

 

La densidad de un material es su peso por unidad de volumen. La forma más simple de medir densidad de líquidos es el hidrómetro, el cual es un instrumento flotante que desplaza un volumen de líquido igual a su propio peso. Usualmente se construye de vidrio y tiene un peso en uno de sus extremos para hacer que flote verticalmente. La posición del hidrómetro en el líquido depende de la densidad de éste. En algunos casos se puede transmitir la medición para una lectura remota, utilizando una varilla metálica como peso, la cual actúa como

brazo variable de un puente de inductancia. También se mide densidad de fluidos, i pesando un volumen fijo de líquido con una balanza mecánica o una celda de carga. Otro método, emplea un medidor tipo desplazador. Aquí, el elemento desplazador es encerrado en una cámara de un volumen fijo. Al cambio de la densidad, la fuerza sobre el desplazador varía, este a su vez mueve una barra de balance, que es el mecanismo actuador de un sistema de medición neumático o eléctrico.

 

Al emplear transmisores de presión diferencial para medición de densidad, ya sea en tanques abiertos o cerrados, la presión hidrostática sensada de un volumen fijo, es función de la densidad del mismo. El método de burbujeo también se utiliza para medir densidad. En algunos casos, cuando el líquido no permite el uso de sensores debido a la corrosión, abrasión u otra limitación, los sistemas radiactivos son los adecuados; se coloca una fuente radiactiva a un lado del reservorlo y un detector radiactivo en lado opuesto. La cantidad de radiación absorbida por cualquier material varía directamente con su densidad. La medición de densidad en gases es importante sobre todo en las industrias petroquímicas. Una forma de hacerlo es usando un densímetro con una sonda. El dispositivo contiene una membrana que oscila con el paso del fluido del proceso. Cualquier variación en la densidad del gas origina que la frecuencia de oscilación también lo haga en forma inversa. La señal es luego amplificada y estandariza para poder ser transmitida.

 

 

ACIDEZ Y ALCALINIDAD

 

La medida de estas variables es frecuentemente de gran importancia en procesos industriales. La escala de medición es denominada de pH. Esta escala está basada en la concentración de iones de hidrógeno en cierto volumen de solución. En esta, el agua pura tiene un valor de 7. Un ácido fuerte tiene el valor de 1 y una base fuerte (alcalina) el de 14, siendo 7 el valor correspondiente al agua pura. En general en la práctica se habla de la concentración de iones de hidrógeno como correspondientes a un pH dado cuando realmente se refiere a una "concentración efectiva".

 

La medición de pH requiere de dos electrodos diseñados específicamente. Uno de ellos produce un cambio de voltaje (fem) cuando cambio el pH de una solución en la que está inmerso. El otro electrodo, mantiene un voltaje constante (fem) al estar sumergido en una solución de referencia. Usualmente, ambos elementos se combinan en un solo electrodo. Como la temperatura del fluido afecta a la medida del pH, se incluye un sensor de temperatura para que el sistema de medición compense estos cambios.

 

Se pueden encontrar analizadores continuos de pH en prácticamente cualquier industria que usa el agua en sus procesos. Las aplicaciones van desde el tratamiento de aguas industriales hasta el: control de pH en procesos de flotación para la minería. Muchas aplicaciones de pH se pueden encontrar en la industria

de pulpa y papel, en el campo de los metales y tratamiento de metales, el el refinamiento del petróleo, manufactura de caucho sintético, plantas de generación de energía, farmacéuticas, producción de fertilizantes químicos y un gran espectro en la industria química.

 

Figura 14 Electrodo de pH

 

 

COMBUSTIÓN

 

Para monitorear apropiadamente la eficiencia de combustión de un caldero, se debe analizar el flujo de gas antes de dejar la chimenea. Esto incluso con fines de controlar la polución del aire. Los productos de una combustión completa son además del calor, el dióxido de carbón y el vapor de agua. Cuando hay sulfuro en el combustible, el dióxido de sulfuro es también un producto de la combustión. Si se detecta monóxido de carbón, entonces dicha combustión es incompleta.

 

 

CROMATOGRAFÍA

 

Es el nombre dado al método de análisis que permite una medida continua de la cantidad de cada constituyente en un vapor complejo o mezcla gaseosa. El método envuelve la combinación de una muestra del gas con un gas portador y pasar la combinación de gases a través de una columna, que es hecha de tubería metálica y llenada con un absorbente tal como aluminio, gel de sílica o carbón activado. El efecto de movimiento de los gases a través de la columna es la separación de los constituyentes del gas muestra; cada constituyente viaja la diferente velocidad, debido a que cada uno de ellos es retenido por un periodo de

tiempo diferente por la columna absorbente. El gas portador, que fuerza al de prueba hacia la columna, emerge de la misma continuamente, tal que los constituyentes realmente dejan la columna combinadas con el gas portador; los más comunes gases portadores son el hielo, nitrógeno, aire o hidrógeno. Una muestra típica de gas puede contener constituyentes como etano, propano, acetileno, butano, pentano, entre otros.

 

 

ANÁLISIS DE SÓLIDOS EN MINERÍA

 

La industria minera utiliza analizadores basados en fluorescencia con rayos X para analizar algunos elementos en una pulpa de flotación. Comúnmente son analizados elementos tales como cromo, manganeso, hierro, cobalto, cobre, zinc y plomo.

 

Figura 15 Equipo de muestras con rayos X

 

Como fuente primaria de radiación se utilizan tubos de rayos X o fuentes de radioisótopos, aunque por razones de protección del medio ambiente se prefieren los primeros. Típicamente el sistema consiste de (1) un sistema de muestreo que bombea las pulpas al analizador, un^ espectrómetro que mide los elementos de cada muestra, un generador de rayos X y un sistema de enfriamiento por agua. Los sistemas modernos incluyen también un equipamiento de procesamiento de datos.

 

Un flujo continuo de muestreo es tomado de cada pulpa de proceso a ser analizada. El flujo final de muestreo es obtenido luego de muestrear en dos o tres etapas, dependiendo de la cantidad de flujo; de proceso. Cada muestreo de pulpa fluye hacia una celda separada en el analizador. Las intensidades de radiación medidas dan toda la información requerida para computar los contenidos reales. Un dispositivo de temporizado determina el tiempo de medición para cada muestra de pulpa.

 

El análisis o monitoreo en línea del tamaño de partícula (PSM) es también otra operación importante en una planta concentradora de mineral para propósitos de control del proceso. Esta se realiza en la etapa de chancado y se emplea para tal

fin un sensor ultrasónico. Hay dos pares de transductores ultrasónicos, cada uno con un transmisor y un receptor. En el transmisor, las señales eléctricas de alta frecuencia son convertidas en energía ultrasónica que la cual viaja atravesando la pulpa entre el transmisor y el receptor. En el receptor, dicha energía es convertida nuevamente en señales de alta frecuencia y luego tratada para fines de ser utilizada como señal estándar de instrumentación.

 

La cantidad de energía detectada a través de la pulpa llega en la forma de dos señales correspondientes al tamaño de partícula y porcentaje de sólidos. La comparación electrónica de estas dos señales da una salida que varía solamente en función al tamaño de partícula y es independiente de los cambios del porcentaje de partícula.

Medición de otras variables importantes: Proximidad, Peso y DesplazamientoEscrito por José Carlos Villajulca    

En este articulo vamos a mencionar brevemente las características asociadas a otros dispositivos que comúnmente pueden encontrarse en mayor ó menos medida en las plantas industriales: peso, desplazamiento y proximidad.

 

 

MEDICIÓN DE PESO

 

Peso es una variable requerida para determinar el nivel de sólidos en un silo, la transferencia de sólidos a través de una faja transportadora o la velocidad de descarga de un alimentador y lógicamente el peso neto del producto en si. Se define como la fuerza ejercida sobre el objeto por la gravedad. El dispositivo más antiguo conocido para medir peso es la balaza mecánica de brazo. Otros dispositivos son la balanza pendular, la de balance con resorte y una combinación de éstos.

 

Con el tiempo, han aparecido las denominadas celdas de carga hidráulicas, neumáticas y eléctricas, éstas últimas basadas principalmente en la aplicación de galgas extensiométricas. El tipo de aplicación define la forma y tamaño de las celdas de carga. Incluso actualmente se tienen sistemas inalámbricos para el envío de la información del peso medido. Para el caso de laboratorio igualmente, la tecnología actual ha permitido el reemplazo de las balanzas mecánicas por electrónicas de gran precisión.

 

Existen aplicaciones en las cuales se pueden hacer mediciones de peso en

movimiento, como es el caso de camiones de carga. A diferencia de ¡a mayoría de los sistemas hechos para tal fin en que se requiere que le vehículo se detenga, esta tecnología emplea varias microceldas a lo largo de la plataforma, las cuales envían información; electrónica a una computadora para realizar la medición.

 

Cuando se requiere un método sin contacto, especialmente para el traslado de sólidos por fajas transportadoras, se utiliza uno basado en la radiación de rayos Gamma, similar al de medición de nivel visto anteriormente. Aquí, se emiten los rayos desde una fuente hacia el material. En función a la cantidad de radiación absorbida por el mismo y la velocidad de la faja,, se determina el flujo del material.

 

Figura 16 Balanza que utiliza método radiactivo (cortesía de Therrtio Measuretech)

 

 

DESPLAZAMIENTO

 

A menudo se hace necesaria la medición del desplazamiento lineal o posición de un elemento mecánico. Los métodos empleados difieren según el tipo de aplicación. Lo común es que todos ellos ¡entregan una señal eléctrica proporcional al desplazamiento. Podemos mencionar dispositivos tales como los transformadores diferenciales de variación lineal (LVDT), los transductores potenciométricos o los encoders lineales.

 

Un LVDT es un dispositivo electromecánico con un núcleo magnético movible rodeado de tres bobinados cilindricos. Produce una señal ac o de proporcional al movimiento de su núcleo y es lineal sobre un rango especificado. El bobinado primario es excitado con una corriente ac, normalmente en la región de 1 a 10 kHz y entre 0,5 y 10 Vrms. Los otros dos bobinados, los secundarios, son enrollados en oposición, tal que cuando el núcleo de ferrita está en su posición central,! se induce el mismo voltaje en ambos. Dependiendo del desplazamiento del núcleo, la salida ac será proporcional al mismo y la fase de la señal indica la dirección del movimiento con respecto a su posición central.

 

Figura 17 LVDT

 

 

La electrónica asociada a un LVDT, combina ambas informaciones para que el usuario sepa la posición exacta del eje. Este transductor está limitado a relativamente cortos desplazamientos debido a su construcción inherente. Sin embargo, su resolución es virtualmente ilimitada y más bien está limitada por la electrónica externa.

 

Desde el punto de vista de su aspecto físico, un transductor potenciométrico es similar a un LVDT. Sin embargo al Igual que un potenciómetro, su medición se basa en el cambio de resistencia medida entre el cursor y uno de sus extremos. Prácticamente entonces es una resistencia variable con el desplazamiento lineal.

 

Los encoders comúnmente están asociados a la medición de rotación o movimiento circular (tal como los RVDT o transformadores diferenciales variables rotativos). Sin embargo existen encoders lineales, entre los cuales se pueden mencionar los ópticos, aunque también se tienen los de tipo magnético, inductivo y capacitivo.

 

En términos básicos, un encoder óptico lineal consiste en un cabezal explorador que se mueve con el motor y una escala de vidrio o acero montada en al parte estacionaria del sistema. El cabezal contiene una fuente de luz,, fotoceldas y la electrónica. Cuando el cabezal se mueve, la luz incidente sobre la escala es modulada por finas marcas en la superficie de la misma, produciendo salidas sinusoidales desde las fotoceldas. Estas salidas son desfasadas para obtener dos señales sinusoidales en cuadratura. La electrónica posteriormente las procesa para obtener señales digitales.

 

Al igual que los encoders rotativos, estos dispositivos tienen dos versiones, un tipo ¡ncremental que proveee la posición relativa y el tipo absoluto que provee una posición única. La resolución de estos dispositivos puede llegar a ser tan fina como 0,001 mm, con longitudes de exploración de hasta 30 metros y velocidades de hasta unos 15 m/ seg.

 

Figura 18 Encoders lineales

 

 

PROXIMIDAD

 

En muchos procesos industriales se requiere detectar la presencia de algún objeto o elemento mecánico con fines de control. La forma más simple es mediante el uso de dispositivos mecánicos tales como interruptores de fin de carrera (limit switches). Sin embargo no siempre es posible emplear estos métodos que involucran tener contacto con el elemento a detectar. En procesos que involucran por ejemplo el sensar el paso de un producto a través de una faja trasportadora es necesario en la rhayoría de los casos utilizar algún método sin contacto. Es así como se apalrecen como solución los denominados sensores o detectores de proximidad sin contacto. Entre estos tenemos los fotoeléctricos, los inductivos y los capacitivos.

 

Un sensor fotoeléctrico usa luz para detectar la presencia o ausencia de un objeto. Existen varios tipos: haz transmitido (thru-bejam), retro-reflectivo (reflex) y reflectivo difuso. El sensor de haz transmitido usa dos dispositivos (un transmisor y un receptor) frente a frente. La detección ocurre cuando un objeto bloquea o corta el haz de luz entre ellos.

 

Figura 19 Detector de haz transmitido

 

El detector retro-reflexivo emite un haz de luz que vuelve de regreso por acción de un reflector. Cuando un objeto bloquea el haz entre el sensor y el reflector, ocurre la detección.

 

Figura 20 Detector retro-reflexivo

 

Un detector reflectivo difuso, emite un haz que debe ser reflejado de regreso a él por el mismo objeto a ser detectado.

 

Figura 21 Detector reflexivo difuso

 

 

Existe un tipo especial de detector reflectiyo; difuso denominado de rechazo de fondo (background rejection). Este tiene dos detectores y tiene una capacidad de sensado extrema que permite al dispositivo detectar objetos independientemente del color, reflectancia, contraste o forma de su superficie, ignorando objetos que se encuentren fuera de su rango de detección. Un ejemplo interesante se ilustra a continuación. Aquí se requiere detectar la presencia o ausencia de tapas en las botellas. El detector debe tener la habilidad de sensar tapas de diferente reflectividad y color a la misma distancia. Además debe ser capaz de ignorar el borde de la botella cuando no tiene tapa.

 

 

Una alternativa interesante es el uso de cables de fibra óptica como detector. Esto es aplicable en situaciones en donde se hace difícil montar un sensor tradicional por razones de espacio. El diámetro de un cable de fibra óptica puede ser tan pequeño como 0,02 pulgadas. Está formado por un gran número de fibras de vidrio, protegidas contra golpes o excesivo flexionamiento. Desde que es luz y no corriente la que viaja por el cable, la señal no está afectada por interferencia electro magnética (EMI) ó vibración. Pueden soportar altas temperaturas y en algunos casos, sustancias químicas. Sin embargo sus desventajas son su limitada distancia de detección.

 

Existen dos tipos de sensores de fibra óptica, los de vidrio que transmiten la luz eficientemente a través del espectro visible y hacia el espectro infrarrojo y los de plástico que tienen una pobre eficiencia de transmisión sobre longitudes de onda

infrarrojas. Consecuentemente, los primeros pueden ser usados tanto con fuentes de luz de ambos espectros mientras que los segundos solamente con sensores para el espectro visible.

 

Figura 23 Comparación entre tipos de fibra óptica:

 

 

Otra alternativa es el empleo de sensores de proximidad por ultrasonido, similares a los empleados para medir nivel. Se tienen ;de los tipos de set point simple o doble, retro-reflectivos y de haz transmitido. Pueden detectar en forma precisa objetos transparentes de vidrio o plástico, así como objetos translúcidos.

 

La técnica de alta frecuencia empleada en ellos, los hace prácticamente inmunes a la interferencia del ruido ambiental y en general en condiciones difíciles. Emplean un transductor sónico especial que permite la transmisión y el envío de ondas de sonido. El transductor ultrasónico emite un número de ondas de sonido que son reflejadas por un objeto de vuelta al transductor. Finalizada la emisión de éstas, el sensor de ultrasonido cambiará su estado a la condición de receptor. El tiempo transcurrido entre el envío y la recepción es proporcional a la distancia del objeto al sensor.

 

El sensado es solamente posible dentro del área de detección. Este rango puede ser ajustado por ei potenciómetro del sensor. Si un objeto es detectado dentro de esta área, la salida cambia de estado. El LED internamente construido indica este cambio.

 

Figura 24 Sensor por ultrasonido con salida digital (cortesía de Vydas)

 

Los detectores de proximidad del tipo inductivo o capacitivo, utilizan una característica eléctrica para detectar un objeto cercano, generalmente a no más de una pulgada. Los inductivos detectan solamente objetos metálicos mientras que los capacitivos pueden sensar tanto metálicos como no metálicos.

 

Un detector de proximidad inductiwo produce un campo de radio frecuencia invisible y oscilante. Cuando un objeto metálico ingresa a este campo, afecta a éste. Cada tipo y tamaño de sensor tiene un rango específico de sensado de modo tal que la detección tenga mucha exactitud y repetibilidad. Con su habilidad para detectar en un pequeño rango, estos sensores son muy útiles en aplicaciones de medición precisa y de inspección.

 

Entre las ventajas de estos dispositivos se encuentran su inmunidad a condiciones ambientales adversas, su velocidad de respuesta, detección de objeto metálicos a través de barreras no metálicas, su tiempo de vida y su construcción con estado sólido para entregar señales a equipos electrónicos. Sus desventajas incluyen su rango dé sensado limitado (máximo 4"), detectan solamente objetos metálicos y puede ser afectados por limaduras metálicas acumuladas en la cara del sensor.

 

Un detector capacitivo al igual que un condensador eléctrico, consiste de dos placas separadas por un aislante denominado; dieléctrico. En el dispositivo, una de las placas es parte del interruptor, el aislante es el encapsulado y el objeto a detectar, la otra placa. Estos sensores tienen típicamente un ajuste de sensibilidad y ueden detectar cualquier objeto siempre que tengan una constante dieléctrica mayor que el aire. Los líquidos y metales tienen una alta constante dieléctrica.

 

Entre sus ventajas se mencionan su capacidad para detectar tanto objetos metálicos como no metálicos y en un rango superior' que los inductivos, tienen rápida respuesta, pueden detectar líquidos a través de barreras no metálicas (vidrio, plástico) y larga vida y salida detestado sólido. Sus desventajas son que se afectan por los cambios de temperatura y humedad y no son tan precisos

como los inductivos.

Empezemos con los elementos finales de control : Válvulas de ControlEscrito por José Carlos Villajulca   El elemento final de control es aquel que finalmente modifica alguna característica del proceso según lo ordenado por el controlador. Dependiendo del tipo de proceso y de los objetivos, se tienen una variedad de estos elementos. Desde dispositivos que reciben señales de control del tipo discreto hasta otros que actúan regulando la variable de interés dentro de cierto rango como por ejemplo el flujo de un fluido a través de una válvula de control, la velocidad de un motor por medio de un variador de velocidad o la temperatura de un horno eléctrico utilizando una resistencia calefactora.

Empezemos...

Una válvula de control es el elemento final de control más comúnmente usado en la Industria. Este dispositivo varía el flujo de material o energía a un proceso, ajustando una abertura a través de la cual fluye el material, Es por lo tanto un orificio variable en la línea. Según el teorema de Bernoulli el flujo a través de un orificio es

Q = CA (∆P)1/2

En donde: 

• Q es la cantidad de flujo• C es una constante para las condiciones del flujo• A es el área de apertura de la válvula• ∆P es la caída de presión a través de la válvula

Según la fórmula anterior, el flujo a través de la válvula es proporcional al área de apertura y la raíz cuadrada de la caída de presión a través de la válvula. Ambos factores varían; el área con el porcentaje de carrera (posición) de la válvula y la caída de presión está referida a las condiciones fuera de la válvula y establecida por el proceso (distribución y tuberías).

En condiciones reales de trabajo, una caída de presión constante es raramente encontrada. Por lo tanto, el usuario de la válvula o el diseñador del sistema debe considerar las características de la válvula y del proceso de modo tal de combinar ambas para lograr el rendimiento deseado.

En un lazo cerrado de control, la válvula es el único elemento resistivo que puede ser controlado. Las otras resistencias, varían de debido a cambios de flujo en el sistema   o  debido  al   revestimiento  de   las  tuberías.   Estas  variaciones  son indeseables y deben ser compensadas por la válvula de control.

Cuales son las partes de una VÁLVULA DE CONTROL?

Debido a que las válvulas más usadas son las neumáticas, vamos a referirnos a estas para detallar las partes de una válvula de control. En general, una V.C.A. consta de dos partes principales: La válvula propiamente dicha y el actuador. La válvula es la parte que a través de la cual pasa y se constata el fluido y el actuador es el elemento encargado de efectuar la operación de control.

Figura 1 - Partes de una Valvula de Control

La VÁLVULA

Consta de las siguientes partes:

Cuerpo de válvula

Elementos internos, como el asiento del obturador, el obturador, el vastago del obturador, la guía del mismo, etc. que están en contacto con el medio a controlar.

Estopero, a través del cual, se desplaza el vastago del obturador y que contiene los accesorios de sellado para evitar fugas de fluido.

Generalmente, contiene los medios de montaje del actuador.

TIPOS DE CUERPO DE VÁLVULA

Existe   una   gran   variedad   de   válvulas   para   las   más   diversas aplicaciones. Una clasificación de éstas es la siguiente:

Grafico Tipos Cuerpo Valvula

Las válvulas de globo de doble asiento son muy populares debido a su diseño equilibrado (las fuerzas que tienden a cerrar la válvula son sólo ligeramente diferentes a las que tienen a abrirla). También están disponibles con obturadores reversibles.

Las válvulas de globo de simple asiento normalmente no son equilibradas (existen diseños que sí lo son). Se usan mayoritariamente en tamaños pequeños donde se requiere un cierre los más estanco posible. Su uso en pequeños tamaños se debe a: su diseño sencillo y que aún siendo no equilibradas no requieren grandes tamaños de actuadores.

 

Figura 2 Válvulas de globo

Mencionemos las características de las más importantes:

 

Las válvulas mariposa son muy usadas en servicios de altos caudales y pequeñas pérdidas de carga. Tienen altos porcentajes de recuperación de presión. Tienen bastantes fugas salvo que se diseñe con asiento blando. Requieren más potencia de actuador y no presentan buenas características de control (especialmente en la zona de cercana al cierre y en la zona cercana a la apertura total) salvo en diseños especiales.

 

Figura 3 Válvulas mariposa

Las válvulas de bola están siendo muy usadas debido a su alto porcentaje de recuperación de presión. Se presentan en diseño de bola completa o segmentada. En este último caso son muy útiles en fluidos viscosos con sólidos en suspensión. Presentan altas capacidades de CV. En muchos casos son idóneas para aplicaciones de control on-off.

Las válvulas de membrana se usan principalmente en servicios viscosos y corrosivos. El sello que constituye la membrana evita el contacto del fluido con los órganos internos. Generalmente tienen malas características de control y las membranas suelen tener corta duración.

Existen otros numerosos tipos de cuerpos (válvula de tres vías, cuerpo partido, angular, etc.) que presentan; asimismo ventajas e inconvenientes, las cuales adecuadamente sopesadas pueden posibilitar el uso de los mismos.

La válvula de jaula es otro tipo de válvula ¡de globo que ha tenido mucho auge en los últimos años. Su nombre se debe a que el obturador es guiado por una especie de "jaula" inmersa en el cuerpo de la válvula. Se usa en muchas aplicaciones sustituyendo a las de doble asiento con alguna ventaja adicional tal como mayor capacidad de Cv, bajo ruido, buena estabilidad, fácil cambio de los órganos internos (trim), uso de trim de tamaño reducido en el mismo obturador y disminución de problemas con la erosión.

 

Ffigura 4 Válvula de jaula

 

EL OBTURADOR

Es el que principalmente define el comportamiento o característica de la válvula como ya antes se ha mencionado. En general se tienen las siguientes características:

Apertura rápida: permite un cambio rápido del caudal para un pequeño recorrido del vastago. Cerca del 90% de la capacidad de la válvula se obtiene al 30% de apertura de la válvula y se logra una relación lineal hasta ese punto. Se utiliza principalmente para servicio on-off o en válvulas auto-reguladas. Incluso son útiles en sistemas con caídas constantes de presión, en donde se requiere una característica lineal.

Lineal: produce un flujo directamente proporcional a la apertura de válvula. Una variación del 50% del vastago origina una igual variación en el flujo, etc. Esta relación produce una pendiente constante, de modo tal que cada cambio incremental de la posición del tapón produce un cambio similar en el flujo de válvula, si la caída de presión es constante. Se usan generalmente en control de nivel de líquidos y en aplicaciones en donde se requiere una ganancia constante.

Igual Porcentaje: una característica de igual porcentaje es aquella en la que a

iguales incrementos de recorrido del vastago, se produce un porcentaje igual en el flujo existente. Por ejemplo, cuando el flujo es pequeño, el cambio en el mismo (para un; cambio incremental) es pequeño; cuando el flujo es grande, el cambio es siempre proporcional a la cantidad que fluye antes del cambio. Se usan en aplicaciones de control de presión en donde; un pequeño porcentaje de la caída del sistema permite el control de la válvula.

Figura 5 Curvas características de válvulas de control

Parabólica modificada: Una curva de este tipo cae entre la lineal y la de igual porcentaje. Se usa en aplicacionesien donde la mayor parte de la caída de presión del sistema se da en la válvula de control.

Lineal modificada: Cae entre la lineal y la apertura para flujos bajos y altos, la sensibilidad de la válvula es baja, es decir, que grandes recorridos del vastago producen pequeños cambios de flujo.

ACCION DE LA VÁLVULA

La acción del cuerpo de válvula o válvula propiamente dicha está relacionada al efecto del desplazamiento del vastago de la válvula sobre la apertura de la misma, es decir, si el empujar el vastago de la válvula, se origina un efecto de

empujar para i cerrar (push-to™ cSose) o de empujar para cubrir (push— to—open). El cierre se logra físicamente con el tapón u obturador.

 

Figura 6 Acciones de cuerpo de válvula

MATERÍALES

Los materiales de construcción, es decir, los materiales de los órganos internos así como los del cuerpo de la misma, suelen venir exigidos por el tipo de proceso y las condiciones del mismo. El empleo de aceros inoxidables es común en aplicaciones químicas, sin embargo debido a la gran variedad de las mismas se utilizan algunos materiales especiales. Normalmente, la mejor selección de los materiales para válvulas procede de la persona que más puede saber sobre el fluido de proceso. En este sentido, los fabricantes de las válvulas suelen fiarse de la opinión del usuario para la selección de materiales y disponen de catálogos detallados que ayudan en este tema.

Un aspecto interesante en la selección de los órganos internos de las válvulas de control es el tema de la erosión. La erosión es producida por las elevadas caídas de presión, que ocasionan velocidades del fluido, a través del orificio de paso, considerablemente altas y, por tanto, de gran efecto erosivo. Los efectos de la erosión se multiplican en los casos en que existen en el fluido partículas sólidas en suspensión. La elección se ha de hacer considerando a la vez las propiedades anti-erosivas y la resistencia a la corrosión por el fluido que vaya a manejar la válvula.

Actuadores en valvulas de controlEscrito por José Carlos Villajulca   Las válvulas de control pueden ser operadas neumáticamente, eléctricamente, hidráulicamente o por una combinación entre estas La primera es la mayormente usada.

 Las fuerzas que los actuadores deben superar son causadas por la caída de

presión a través de la válvula, la fricción entre el fluido y las partes móviles, el peso de estas partes y el desbalance del vastago que se hace significativo para grandes caídas de presión. Mencionaremos las características básicas de los actuadores usados para modulación del servicio y por lo tanto se excluyen las válvulas solenoides y otros operadores mecánicos y eléctricos usados en servicio on-off.

Empecemos...

NEUMÁTICOS

Pueden clasificarse en dos tipos básicos; el de resorte y diafragma y el de cilindro o pistón (sin resorte). El primero de ellos es el más usado y puede ser de "aire para bajar" (air-to-lower) o de "aire para subir" (air-to-raise). Aquí, interesa por cual lado ingresa la señal neumática proveniente del controlador. Si es por la parte superior del diagrama, obliga a que la deformación de éste, origine un desplazamiento del vastago hacia abajo, en cambio si el aire ingresa por debajo del diagrama, el movimiento será hacia arriba.

Si la válvula es de acción empujar-para-cerrar, el descenso del vastago debido a la acción de la señal neumática hará que la misma se vaya cerrando permitiendo que se controle el flujo de fluido en forma continua. Si la válvula es de acción empujar-para-abrir, el descenso del vastago hará que la misma se: vaya abriendo conforme se aplique la señal neumática.

Por lo tanto, de la combinación del actuador y la válvula dependerá la acción de Sa wálvuia de control. Si la señal neumática origina al final el cierre de la válvula (air-to-close) se hablará de acción directa y si por el contrario, la válvula se abre (air-to-open), se tendrá una acción inmersa.

La variación de la acción de la válvula, se puede lograr fácilmente con un actuador reversible, sin embargo esto puede resultar costoso. Afortunadamente también se puede dar con un actuador no reversible, no necesariamente cambiando la válvula, sino con la ayuda de un posicionador de válvula como se verá más adelante.

Figura 7 Puentes de un actuador neumáticos

Existen actuadores de diagrama reversibles, en los cuales el aire origina un movimiento del vastago hacia abajo o hacia arriba según la forma de colocación del actuador.

Figura 8 Acciones del actuador

Los actuadores sin resorte, del tipo de cilindro o pistón, se emplean cuando se requieren una gran potencia o una acción más rápida. Lo primero resulta de la habilidad para manejar presiones de alimentación más altas.

 

ELÉCTRICOS

Se usan generalmente en áreas en donde no hay suministro de aire de alimentación o cuando se quiere prescindir de los sistemas neumáticos. Se clasifican según el tipo de energía utilizada para impulsarlos y por el tipo de movimiento requerido. Utilizan motores eléctricos monofásicos ó trifásicos y engranajes, tanto en aquellos denominados de multi-vueltas como en los de un cuarto de vuelta. La mayoría de ellos tiene un mecanismo de desembrague del volante para operación manual en caso de falla de energía eléctrica. 

Los actuadores modernos disponen de componentes especiales tales como relés de monítoreo, protección contra válvula atascada, termostato, etc. La tecnología actual permite que puedan ser controlados remotamente a través de una conexión a dos hilos. De este modo se pueden conectar a una red muchos de ellos comunicados mediante un protocolo industrial.

Figura 10 Actuador eléctrico

 

ELECTROHIDRAULICOS

Combinan la acción de la señal eléctrica de control (0/4~20mA); con la fuerza que se puede lograr con presiones hidráulicas, acoplando a estas con un sistema de balance de fuerzas. Comúnmente, estos sistemas operan a presiones de hasta 3,000 psi, brindando potencia y velocidad para requerimientos de control de gran exactitud.

Figura 11 Actuador electrohidráulico (cortesía de Samson)

Los posicionadores de valvulas: conceptos claros y definitivosEscrito por José Carlos Villajulca   Un posicionador de válvula es básicamente un dispositivo que sensa tanto la señal de un instrumento (controlador) como la posición del vastago de una válvula. Su función principal es la de asegurar que la posición de este vastago corresponda a la señal de salida del controlador o regulador.

 

Por ejemplo, si el posicionador recibe una señal neumática de 35%, debe dar la suficiente presión de aire al actuador para hacer que el recorrido del vastago sea de 35% de todo su rango. Puede efectivamente ser descrito como un controlador de lazo cerrado, que tiene como señal de entrada a la del instrumento, su salida que va al diafragma del actuador y su señal de realimentación proveniente del vastago de la válvula.

Es usado en válvulas que operan en rango partido,¡para invertir la acción de una válvula de control, para superar las fuerzas de fricción dentro de una válvula y en aplicaciones que requieren un control rápido y preciso. Normalmente, se

monta sobre la válvula de control.

Los posicionadores se pueden dividir neumáticos y electroneumáticos. Con respecto a los primeros, a su vez se subdividen en aquellos accionados por un sistema de balance de movimientos. Consiste básicamente de un fuelle que recibe la señal del controlador, una barra fija al fuelle por un lado y un relé neumático cuya tobera forma un sistema tobena-actuador con la barra.

Mientras el fuelle se mueve respondiendo al cambio de la señal del instrumento, el arreglo tobera-obturador se mueve, admitiendo aire al diafragma o expulsando aire del mismo, hasta que la posición del vastago corresponda a la señal enviada por el controlador. En ese momento el posicionador estará nuevamente en equilibrio con la señal de control.

Los posicionadores electroneumaticos surgieron por el uso cada vez mayor de sistemas de control electrónicos que actúan sobre válvulas de control neumáticas. Básicamente, consisten en una combinación de un conversor de corriente a presión (I/P) y un posicionador. Es un dispositivo de balance de fuerzas y se puede utilizar con acción directa o acción inversa.

Figura 12 válvulas con posicionadores

 

 

Ante la aparición de los controladores electrónicos jy la necesidad de controlar válvulas neumáticas, aparecieron los denominados conversores de corriente a presión (1/ P). Estos convierten las señales estándar de 0/ 4 -20 mA en señales neumáticas para actuar sobre la válvula de control o el posicionador respectivo. Poco tiempo después son fabricados posicionadores con el conversor incorporado lográndose así los denominados posicionadores electroneumaticos.

El avance posterior en comunicación digital de instrumentos ha obligado a

muchos fabricantes a desarrollar posicionadores que se puedan comunicar con controladores de salida digital. Es así como tenemos ahora posicionadores digitales (también llamados "inteligentes") para diversos protocolos. Esto evidentemente permite integrar a las válvulas de control en una red industrial con el beneficio de una mayor cantidad de información sobre las mismas y el proceso que controlan.

Figura 13 Posicionador digital y configurador

Como dimensionar una válvula de control?. Pasos simples y eficacesEscrito por José Carlos Villajulca    

Escoger una válvula de control para una aplicación en particular solía ser por lo general algo sencillo. Usualmente se consideraba solamente un tipo de válvula (de desplazamiento del vastago) para cualquier aplicación. Cada fabricante ofrecía un producto adecuado para una tarea y la selección dependía de aspectos obvios tales como costo, entrega, relaciones con el proveedor y preferencias del usuario.

 

 

Hoy en día las consideraciones se han complicado especialmente para los ingenieros o técnicos con limitada experiencia o para aquellos que no se han mantenido actualizados acerca del desarrollo dé las válvulas de control.

 

Para muchas aplicaciones, se dispone de una diversidad de válvulas de bola, de desplazamiento de vastago y de mariposa. Algunas son mencionadas como "universales" para casi cualquier tamaño y servicio, mientras que otras son consideradas como de solución óptima para necesidades especiales. Como en todas las decisiones, la selección de una válvula involucra una serie de variables. Una lista de las mismas debería incluir:

 

• Rango de presión de trabajo y presiones límites ¡del cuerpo

• Tamaño y capacidad de flujo

• Características de flujo y rangeabilidad

• Límites de temperatura

• Factores ambientales como corrosión y abrasión

• Materiales del cuerpo

• Caída de presión en la válvula

• Tipo de conexiones mecánicas

• Costo del ciclo de vida

• Tipo de actuador

• Accesorios requeridos

 

De todos estos aspectos nos vamos a referir a1 dos en particular para propósitos de definición del manejo de fluido por parte de la válvula, su capacidad    y    su    rangeabilidad.    Luego    veremos    un    ejemplo    de dimensionamiento de válvulas que involucra el cálculo del Cv de la misma.

 

Figura representativa del Dimensionamiento de Válvulas (Cortesía Chemical & Process Technology)

 

 

 

CAPACIDAD DE UNA VÁLVULA

 

Los fabricantes han adoptado un término para indicar las capacidades de variación del flujo en las válvulas de control. Para este propósito se define el coeficiente Cv:

 

Cv = Q / [(∆P/G)^1/2]

 

Donde:

 

• Q es el flujo volumétrico a través de la válvula (caudal) en galones por minutos

• ∆P  es  la  caída  de  presión   a  través de  la  válvula   en  psi (incluyendo las pérdidas en la entrada y la salida)

• G es la gravedad específica del fluido.

 

Dicho de otro modo, es el número de galones por minuto de agua a temperatura ambiente que pasará a través de una restricción con una caída de presión de 1 psí; por ejemplo, una válvula de control en la que al estar completamente abierta circulan 25 gpm de agua con una caída de presión de 1 psi, tiene un coeficiente máximo de 25. El flujo se obtiene similarmente a varios incrementos de apertura de válvula y por lo tanto se halla así el Cv para casa incremento. Se logra así la "curva característica" de la válvula.

 

 

RANGEABILIDAD DE UNA VÁLVULA

 

Se define como la relación del flujo máximo y el mínimo que puede manejar una válvula. La rangeabilidad de las válvulas varia dependiendo del tipo de cuerpo de válvula usado. Por ejemplo, la rangeabilidad de las válvulas de globo varía entre 30:1 a 50:1, por lo general. A lo anterior se le denomina rangeabilidad inherente. Tan importante como esta última, es la rangeabilidad instalada u operativa. Esta se define como la relación entre rangeabilidad y caída de presión:

 

Ro = (q1 / q2)[(∆P1/∆P2)^1/2]

 

En donde:

 

• q1 es el flujo inicial

• q2es el flujo final

• ∆P1 es la caída de presión a través de la válvula

• ∆P2 es la caída de presión final

 

 

CORRECCIÓN DE VISCOSIDAD

 

Lo anterior es válido para fluidos no viscosos. En los casos infrecuentes de fluidos con alta viscosidad, se debe hacer un ajuste al cálculo de la caída de presión a través de la válvula (AP). El procedimiento es el siguiente:

 

•   Se calcula el número de Reynolds (R)

 

R = [(3160)(GPM)]/[(D)(Centistokes)]

 

•   Si R es mayor 2000, entonces se deben hacer las correcciones a AP, consideradas en la tabla siguiente:

 

Centistokes Factor de corrección

2 1,14

5 1,40

10 1,70

30 2,06

50 2,68

70 3,06

100 3,50

 

Tabla 1 Factor de corrección por Viscosidad

Ejemplo paso a paso.. Como Dimensionar una válvula de controlEscrito por José Carlos Villajulca   En este artículo veremos de forma rápida y sencilla como podemos dimensionar una válvula de control, de tal manera que se ajuste a nuestras necesidades y costos.

 

 

Asumamos  que tenemos una válvula de control regulando el flujo de salida de un fluido

en un tanque en donde se quiere controlar el nivel a 25 pies. El flujo de entrada varía de 0 a 125 galones por minuto:

 

 

Figura 14 Dimensionamíento de válvula para tanque simple

 

 

El máximo flujo de salida Q, debe ser igual al máximo flujo de entrada es decir, 125 gpm. Desde que 1 pie de agua desarrolla una presión de 0,433 psi, con un nivel de 25 pies en el tanque la presión a través de la válvula será:

 

P = 25 x 0,433 = 10,8 psi

 

 

Aplicando la fórmula del apartado del articulo anterior( Cv de una válvula) debemos conocer G y ΔP.

 

Para el ejemplo:

 

G es la gravedad específica del agua, es decir 1.0

ΔP es la caída de presión; debido a que el tanque descarga en la atmósfera, será la que origina el líquido a la entrada de la válvula, es decir 10.8 psi

 

Cv = Q / [(ΔP/G)^1/2] = 120 / [ (10.8/1)^1/2] = 36.5

 

En la figura 15 se muestra una tabla del fabricante de valvulas, donde detalla el diametro de la válvula versus su Cv correspondiente a un porcentaje de apertura de la válvula.

 

 

 

Figura 15 - Cv para válvulas de globo isoporcentualés

 

Regresando a nuestro ejemplo, debemos ahora encontrar la válvula más pequeña capaz de entregar un Cv de 36,5. Para esto nos referimos a la figura 15 y encontramos que ésta es una válvula isoporcentual de 2 pulgadas. Ninguna válvula más pequeña entrega este valor de Cv. Es imperante hacer que el Cv de la válvula se produzca entre el 10% y 90% de la carrera, en nuestro caso a un 100% de apertura proporciona un Cv de 56.2 mas que suficiente para este caso.

 

 

Si ahora en vez de descargar la válvula a la atmósfera, asumamos que lo hace a un segundo tanque de 15 pies como observamos a continuación:

 

Figura 16 Control en dos tanques

 

En este caso, siendo los flujos de entrada y salida iguales que para el caso anterior, la caída de presión a través de la válvula será:

 

ΔP = (25 pies - 15 pies) (0,433) = 4,33 pies

 

Cv = Q / [ (ΔP/ G)^1/2 ] = 120 / [ 4,33/ 1]^1/2 = 57,7

 

Nuevamente buscamos la válvula más pequeña capaz de entregar un Cv de 57,7. En la figura 15 encontramos que ésta es un válvula de 2 pulgadas y media. Nótese que la capacidad de la válvula depende tanto del tamaño como de la caída de presión en el sistema.

 

Hemos llegado al final, como pueden darse cuenta dimensionar una válvula no es muy dificil. Como recomendacion verificar que la viscosidad no se alta, es decir que su numero de Raynols no sea mayor de 2000. Caso contrario revisar la tabla del articulo anterior y aplicar el factor de corrección.

http://www.instrumentacionycontrol.net/es/curso-completo-instrumentacion-industrial/226-como-dimensionar-una-valvula-de-control-pasos-simples-y-eficaces-.html

Válvulas Solenoides y variadores de velocidad... otros elementos finales de controlEscrito por José Carlos Villajulca   Adicionalmente a las válvulas de control descritas anteriormente, vamos a referirnos a algunos otros dispositivos que comandados por el controlador, sirven para finalmente regular un proceso según los valores deseados. Entre éstos mencionaremos brevemente las válvulas solenoide y los variadores de velocidad de motores.

Comencemos...

LAS VÁLVULAS SOLENOIDE

Las válvulas solenoide son a menudo usadas en una variedad de aplicaciones on-off o de interrupción con válvulas de control. Adicionalmente a las posibles aplicaciones de control, pueden utilizarse en acciones de seguridad o para interconectar una línea de instrumentos con otra. Debido a que nos interesa aquí su función en control automático de fluidos, solamente nos vamos a referir a este aspecto en particular.

Si bien es cierto que la aplicación más común está referida a control on-off, es importante señalar que en un sistema regulatorio, éstas válvulas se pueden utilizar en un control PID siempre y cuando las salidas del controlador fuesen discretas (del tipo PWM) y el proceso lo permita (características del fluido, rango de flujo, tamaño de tubería, etc.). Típicamente estas válvulas están disponibles para tuberías entrel/4 de pulgada y 2 pulgadas de diámetro, sin embargo las hay más grandes.

Estas válvulas son unidades de control que cuando están eléctricamente energizadas o des-energizadas, permiten o no el paso de fluido. Esto depende si son normalmente abiertas o normalmente cerradas. El actuador toma la forma de un electroimán. Cuando éste se energíza, aparece un campo magnético que atrae un vastago o armadura en contra de la acción de un resorte. Cuando se des-energiza, aquél elemento regresa a su posición original o de reposo por acción del resorte.

De acuerdo al modo de actuación se hace una distinción entre válvulas accionadas directamente, válvulas pilotadas internamente o pilotadas externamente. Otra característica diferenciadora es el número de puertos ó el número de vías.

En una válvula solenoide es accionada directamente, el sello del asiento está adosado al núcleo del solenoide. En la condición de des-energizada, se cierra un orificio del asiento, el cual se abre cuando la válvula es energizada. Se pueden encontrar para este tipo válvulas de dos vías y de tres vías. Las primeras tienen un puerto de entrada y otro de salida y las segundas tienen en condiciones de reposo una entrada y dos salidas, una de ellas abierta y la otra cerrada, situación que se invierte al ser energizada.

1. Cuerpo de la Válvula, 4. Cabeza Solenoide   7. Piston2. Entrada , 5. Bobina , 8. Resorte

3. Salida , 6. Cables de señal, 9. Orificio

Figura 17 Vista de corte y partes de una válvula solenoide

Las válvulas pilotadas internamente son empleadas para manejar presiones más altas que las que pueden manejar las válvulas anteriormente descritas. En este caso las válvulas están dotadas internamente de una válvula de 2 vías o de 3 vías. En aplicaciones particulares tales como en neumática o hidráulica, especialmente para el manejo de cilindros con doble actuación, se pueden utilizar válvulas de 4 vías. En las válvulas externamente pilotadas se usa un medio independiente para

accionarlas.

Algunos de los aspectos a considerar en la selección de una válvula solenoide son el rango presiones en PSI con las; que pueden trabajar; el flujo que va a circular por ellas, el cual depende dé ¡a naturaleza del diseño y el tipo de fluido; el tipo de bobina que se va a utilizar (pueden ser de ac o de) y su tamaño y el tiempo de respuesta de las mismas, el cual es definido como el tiempo entre la aplicación de una señal de control y la finalización de la operación mecánica respectiva de cierre o apertura, según sea el caso.

En este último aspecto, los pequeños volúmenes y las fuerzas magnéticas involucradas relativamente altas, permiten tiempos de respuesta rápidos. Para aplicaciones especíales se pueden encontrar válvulas con varios tiempos de respuesta.

VARIADORES DE VELOCIDAD

El variador de velocidad es uno de los elementos más importantes tanto para el control de velocidad de motores eléctricos como para el control de posición (servo-variadores). El desarrollo de la Electrónica de Potencia, ha permitido fabricar equipos variadores que controlan prácticamente todos los parámetros importantes del motor, permitiendo su uso en todo tipo de aplicaciones. Desde el punto de vista de tecnología hablamos hoy en día de dispositivos basados en microcontroladores. Si nos referimos ai tipo de motores que pueden controlar, los variadores se subdividen en general en aquellos que manejan motores DC y los que se aplican a motores AC. 

Todos los aspectos relacionados a estos equipos, así como sus aplicaciones, los tratamos en otro curso el cual puedes ver inmediatamente en: 

http://instrumentacionycontrol.net/es/curso-variadores-de-velocidad.html

Instrumentos Digitales de Campo, medios y modos de transmision y comunicación - parte 1Escrito por José Carlos Villajulca    

Actualmente es cada vez mayor el desarrollo de equipos de instrumentación y control que se comunican a través de señales digitales en reemplazo de las analógicas.

Es importante entonces conocer algunas características acerca de la transmisión de las mismas, de los medios físicos a través de los cuales éstas son enviadas y de las ventajas de la instrumentación digital de campo sobre la convencional. Vamos a considerar en esta parte lo correspondiente a transmisores y válvulas con tecnología digital.

 

 

Diferentes Instrumentos Digitales hoy en día

 

 

Las famosas señales analógicas y digitales

 

A pesar que la señal de 4-20 mA, como ejemplo de señal estándar de transmisión, es todavía empleada en la mayoría de los casos, en años recientes se ha visto una gradual transformación de instrumentación analógica a digital. Hoy, se está dando el cambio de señales analógicas a digitales.

 

La transmisión analógica de información se caracteriza por el continuo cambio de amplitud de la señal. En la ingeniería de procesos, la señal de 4-20 mA mencionada, es transmitida en una forma analógica pura. Una corriente proporcional al valor medido, en el caso de los transmisores, fluye entre éstos y los instrumentos que la reciben tal como un controlador, un medidor o un registrador. En una señal analógica tal, sin embargo, el contenido de información es muy restringido; solamente el valor de la corriente y la presencia o no de ésta puede ser determinada.

 

Una señal digital a diferencia, no cambia continuamente, sino que es transmitida en paquetes discretos. No es tampoco inmediatamente interpretada, sino que debe ser primero decodificada por el receptor. El método de transmisión también es otro: como pulsos eléctricos que varían entre dos niveles distintos de voltaje. En lo que respecta a la ingeniería de procesos, no existe limitación en cuanto al contenido de la señal y cualquier información adicional, desde un transmisor por ejemplo, puede ser transmitida con la variable medida.

 

Una de las ventajas de la transmisión digital es la eliminación de las innecesarias conversiones de analógica a digital. En este caso, la señal analógica es muestreada. A mayor velocidad de muestreo con una resolución más fina, mejora la conversión. Los costos sin embargo también se incrementan, de modo

tal que debe existir un compromiso entre costo y precisión.

 

 

Un repaso rápido de conceptos sobre Comunicación Digital

 

En la comunicación analógica, la información es transmitida a través de la amplitud de la señal. En la comunicación digital, la señal está compuesta por una serie de pulsos de voltaje y es enviada del transmisor al receptor a través de un medio de transmisión. Este puede ser un cable, fibra óptica o radio. La información es usualmente contenida en los cambios entre dos niveles de voltaje que pueden tomar los valores lógicos "1" y "0". Los niveles reales de voltaje y las tolerancias dependen del estándar de ínterfaz empleado. Los voltajes que caen fuera de las bandas no son considerados como datos.

 

Las unidades de datos individuales, representadas por los valores 0 y 1 son conocidos como bits. Estos valores son por supuesto la base del sistema de numeración binario. El sistema binario es usado para todos los cálculos dentro del microprocesador que aparece como el corazón de un instrumento digital de procesos. El conjunto de 8 bits es denominado un byte el cual representa el bloque de construcción de todos los valores alfanuméricos empleados por ejemplo por un operador para comunicarse con un microprocesador.

 

Desde que la comunicación digital involucra por lo menos dos equipos, ambos deben ser capaces de interpretar la señal. Es por ello que usan códigos de control en los cuales una secuencia específica de bits, indica a uno de los equipos lo que se está transmitiendo y cómo. Los códigos de datos son empleados para la información misma. Las mismas reglas se aplican sin importar si estamos hablando a un microprocesador o si varios dispositivos en una red se están comunicando entre ellos. El código ASCII (American Standard Code for Information Interchange) es probablemente el ejemplo más conocido de un código de control y de datos.

 

 

Que Medios de Transmisión tenemos?

 

A mayor información transmitida y a mayor velocidad de transmisión, mayor es la demanda de mejores características para el medio de transmisión. Esto es particularmente cierto para las redes industriales de comunicación, en donde las condiciones distan mucho de ser ideales por ejemplo debido a las posibles interferencias de máquinas eléctricas. Por esta razón, el mejor medio de transmisión depende en mucho de la aplicación.

 

- Los Cables Trenzados (Twisted Cable)

 

Es la solución más económica para la transmisión de datos; permite velocidades

de transmisión de hasta 375 KBit/s sobre líneas de hasta 300 m de largo. En muchos casos, se usan pares trenzados y apantallados que proveen mayor inmunidad a la interferencia. En este caso las distancias pueden llegar a los 1200 m. Se pueden también emplear cables multifilares, siempre que no se genere interferencia entre éstos.

 

Según el estándar FIP, dos pares de cables con doble blindaje, permiten una velocidad de transmisión de 1 Mbit/s sobre distancias de hasta 2000 m.

 

En todos los casos sin embargo, el cable de comunicación debe mantenerse aparte de los cables de energía cuando se manejan cargas grandes.

 

 

- Los Cables Coaxiales

 

Permiten una alta velocidad de transmisión con la ventaja adicional que puede llevar muchos mensajes simultáneamente. El ancho de banda llega hasta 10 MHz. Los cables son más caros que los trenzados y son raramente encontrados en el campo.

 

- Los Cables de Fibra Óptica

 

Su capacidad de transmisión es 5 veces mayor a la del cable coaxial. El cable de fibra óptica contiene una fibra simple de vidrio la que por razones de estabilidad está rodeada de varias cubiertas protectoras de modo tal que es casi tan gruesa como un cable coaxial. Estos cables son fáciles de tender. Durante al transmisión, las señales eléctricas son convertidas en señales luminosas. Esto significa que los factores usuales de interferencia tales como campos electromagnéticos no tienen influencia.

 

La mayoría de los cables de fibra óptica permiten velocidades de transmisión en el rango de Gigabits/s. Debido al método más complicado de conexión, este medio es el más caro. Por otro lado, desde que es relativamente nuevo, y aún en constante desarrollo, será en el futuro el que reemplace a los cables de cobre para transmisión de datos.

 

 

Cable Trenzado

 

Cable Coaxial

 

 

 

Cables de Fibra Óptica

 

Figura 1 - Medios físicos de transmisión

Instrumentos Digitales de Campo, medios y modos de transmision y comunicación - parte 2Escrito por José Carlos Villajulca    

MODOS DE TRANSMISIÓN

 

Cuando se envía una señal desde un dispositivo a otro, debe pasar primero a través de un interfaz al medio de transmisión. Hay dos formas básicas de realizar esto: en forma paralela o en forma serial.

 

- TRANSMISIÓN PARALELA

 

Es el envío de datos de byte en byte sobre un mínimo de 8 líneas paralelas a través de una interfaz paralela. La interfaz paralela más conocida es la Centronics para impresoras. El bus IEC-6257/IEEE-488 que es encontrada a menudo en sistemas de medición de laboratorio, es otro ejemplo.

 

- TRANSMISIÓN EN SERIE

 

Es el envío de datos bit a bit sobre una interfaz serial. Requiere menos cables que la transmisión en paralelo, pero el tiempo de transmisión se incrementa corno función del tamaño de cadena de bits a ser transmitida. Ejemplo de esto

son las interfaces RS-232 y RS-485.

 

- INTERFAZ

 

Tiene la tarea de colocar la señal digital generada por el dispositivo en red en el medio de transmisión. La cadena de bits es mayormente transmitida como corriente alterna modulada en amplitud o modulada en frecuencia y fase. Luego de su recepción, la señal es demodulada por la electrónica de la interfaz y se recupera la información original. Los módulos electrónicos que realizan la modulación y demodulación, son parte de toda interfaz y son construidos bajo un estándar particular. A través de la interfaz entonces, que es el enlace físico de la transmisión de datos, es que se envía la información, cuyas características y estructura se dan bajo algún protocolo en particular, tema a ser tratado más adelante.

 

- TEMPORIZACION

 

Una interfaz puede transmitir en uno o dos modos, asincrónicamente, que significa que la transmisión básicamente ocurrirá en cualquier momento o sincrónicamente, que significa que la transmisión depende de un sistema común de reloj. La transmisión asincrona es particularmente aplicable para mensajes cortos y es encontrada a menudo en sistemas de buses de campo (fieldbus). Cada byte a ser transmitido e empaquetado entre un bit de inicio y otro de parada. El bit de inicio le dice al receptor que lo que sigue es un byte de datos; el bit de parada le dice la transmisión está completada.

 

Figura 2 Modo asincrono

 

Naturalmente el contenido del mensaje debe ser mayor a un byte, de modo tal que se requiere un acuerdo en la secuencia de los sets de datos y tipos de información. La transmisión asincrona requiere relativamente un pequeño esfuerzo técnico y puede ser empleada en prácticamente todas las situaciones.

 

En la transmisión síncrona, el reloj del sistema tanto del transmisor como del receptor deben estar en fase. Esto requiere que se envíe el llamado preámbulo

antes del inicio de la transmisión. Esto usualmente comprende un burst de la señal portadora para sincronizar al receptor, patrones de bits para sincronizar el temporizado de los bits y luego patrones de control para sincronizar los mensajes.

 

Durante la transmisión, el carácter de sincronización debe ser repetido a intervalos regulares. La transmisión síncrona entonces, posee más problemas técnicos que la asincrona. Su ventaja sin embargo radica en la posibilidad de transmitir bloques largos de datos eficientemente es decir, con una alta proporción de datos útiles.

 

Figura 3 Modo síncrono

 

 

MODOS DE COMUNICACIÓN

 

Otra característica de la comunicación digital entre dos dispositivos es el modo de comunicación es decir, la forma en la cual van a hablar entre ellos. Existen tres modos posibles:

 

• Comunicación simplex, por la cual la información fluye en una sola dirección. La confirmación de recepción del mensaje no es posible en este modo. Ejemplo de este modo son la radio y la televisión.

 

• Comunicación half-duplex, por la cual la información fluye en ambas direcciones; primero uno de los dispositivos transmite. Al término, el otro responde. Un ejemplo de esto es el telefax, en donde la comunicación debe ser primero establecida antes de transmitir el mensaje. Este es el modo de comunicación preferido para el campo.

 

• Comunicación full-duplex, en donde se puede transmitir y recibir simultáneamente. Un ejemplo es la comunicación telefónica entre dos personas. Para la comunicación entre dos máquinas sin embargo, se requiere líneas separadas de transmisión y recepción, de lo contrario la información no podría ser decodificada.

 

Figura 4 Modos de comunicación dúplex

 

VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN

 

La última característica de la comunicación digital es la velocidad de transmisión. Esta indica cuantos bits por segundo pueden ser transmitidos entre un dispositivo y otro. Todos los dispositivos de una red deben operar a la misma velocidad de transmisión. La máxima velocidad es limitada por el tipo de ¡nterfaz y por el medio de transmisión usados. Esta también es una función de la longitud de los cables. Esto es debido a que la probabilidad de que la interferencia electromagnética crece con el incremento de la distancia, pero decrece con ¡a velocidad de transmisión.

 

Dependiendo del estándar, velocidades de transmisión entre 1200 Bits/s a 37.5 Kbits/s se obtienen en forma relativamente fácil. Para velocidades de 1 Mbit/s o más se requieren cables especiales de cobre o de fibra óptica.

Interfaces de Comunicacion en Instrumentación ... tipos y definicionesEscrito por José Carlos Villajulca   Una primera consideración en el campo es que las líneas de transmisión de datos son baratas y confiables. Esto es reflejo no solo del tipo de cable empleado sino también de la interfaz adoptada. Por lo tanto, a pesar de las altas velocidades de transmisión que se pueden obtener con una interfaz paralela como la IEC-625/IEEE-488, en donde 16 líneas se requieren para enviar 1 Byte de información, es muy costosa para instalar a este nivel.

Por esta razón, la interfaz estándar para el campo es serial. Los bajos costos de instalación (pocos cables y conectores), líneas más largas y transmisión más

segura, más que compensan las velocidades de transmisión menores. A continuación se describen las interfaces seriales encontradas en aplicaciones de campo.

 

- LAZO DE CORRIENTE DE 20 mA

Se origina de la telegrafía en donde requería comunicación confiable sobre largas distancias. Trabaja con una corriente de 20 mA que es conmutada entre encendida y apagada según la cadencia de transmisión. Por lo tanto, cada terminal tiene dos lazos, uno para transmisión y otro para recepción. El lazo de corriente de 20 mA es utilizado como alternativa de la interfaz RS-232C. Su mayor ventaja está en su insensibilidad a la interferencia, de modo tal que se usa cuando se requiere cubrir grandes distancias o cuando se encuentran fuertes campos eléctricos en la vecindad de la línea de transmisión.

- INTERFAZ RS-232C

Es usada para interconectar dos dispositivos vía un cable multifilar, usualmente una computadora con un dispositivo periférico o un módem. El estándar cumple con los requerimientos eléctricos y físicos para la transmisión serial de bits. Define las señales de reconocimiento para el control de equipo estándar para líneas telefónicas y módems. Eléctricamente el sistema está basado en pulsos positivos y negativos de 12 V en los cuales los datos son codificados.Mecánicamente, el estándar RS-232C tiene conectores de 9 o 25 pines. Las señales principales que llevan los datos de un terminal a otro son manejadas por las líneas "transmit data" y "receive data". Para hacer posible la transmisión, se requiere una tercera línea que lleva el potencial común de referencia. El resto de líneas, que no tienen que estar presentes, llevan información del estado de los terminales de comunicación. Los módems son controlados por las señales "request to send" y "clear to send", la disponibilidad de un bloque de datos en un computador por "data set ready" y la habilidad para recibir el bloque desde un

computador por "data terminal ready".

 

- INTERFAZ RS-422

Cubre solamente los requerimientos eléctricos y físicos para la transmisión. Usa señales diferenciales y simétricas que permite altas velocidades de transmisión de hasta 10 Mbits/s. En el extremo final de recepción, la diferencia entre los niveles de voltaje es usada para decodificar las señale s; la mayor diferencia positiva corresponde al "0" y la menor al "1". La ventaja está en que si un campo externo actúa sobre la línea, ambas señales son influenciadas al mismo tiempo. La diferencia en la señal se mantiene con excepción del ruido individual de cada línea, sustancialmente igual. De esta manera es posible, tender líneas más largas que para la interfaz RS-232C. Además, desde que los efectos de la interferencia son restringidos, son posibles velocidades mayores de transmisión.

Debido a las líneas diferenciales y la disponibilidad de drivers apropiados, esta interfaz es aplicable no solamente para caminos de transmisión extensos, sino también para estructuras de buses seriales. A pesar de ser concebido principalmente como sistema de punto a punto, se pueden operar hasta 16 dispositivos con un solo transmisor.

- INTERFAZ RS-485

Especifica los requerimientos eléctricos y físicos para la transmisión simétrica de datos (similar a RS-422) entre varios dispositivos. Hasta 32 dispositivos actuando como transmisores o receptores pueden ser conectados a un cable de dos hilos es decir en una verdadera operación de bus. El direccionamiento y respuesta a los comandos debe ser resuelta por software. La máxima longitud de las líneas varía entre 1.2 km a una velocidad de 93.75 kBit/s hasta 200m a una velocidad de 500 kBit/s.

Esta ¡nterfaz usa tres estados lógicos, "0", "1" y "non-data"(ausencia de datos); esta última es usada para el control o sincronización del flujo de datos. Esta interfaz es con frecuencia encontrada en el campo. Al utilizar pares de cables trenzados y blindados, se asegura una comunicación confiable y económica.

- INTERFAZ IEC 1158-2

Es la interfaz internacional para fieldbus intrínsecamente segura; los datos, en una forma de señal sin retorno a cero, son acoplados con una señal de reloj y enviados como una señal de corriente o voltaje a través del medio de transmisión. El 1 y ei 0 son formados por un cambio de fase en el momento que se tiene el medio bit, dos estados de ausencia de datos se generan cuando no hay cambio de fase.

La ¡nterfaz usa un preámbulo para sincronización y añade un delimitador de inicio y uno final a los datos transmitidos. La naturaleza no ambigua de los delimitadores y el estricto monitoreo del temporizado de la señal, aseguran una transmisión muy segura a altas velocidades y sobre grandes distancias. La

interfaz puede suministrar alimentación segura hasta para 10 dispositivos; se pueden acomodar más si tienen alimentación externa.

A continuación, se tiene un cuadro comparativo de las interfaces mencionadas.

Tabla 1 - Interfaces de comunicación

Transmisores y válvulas inteligentes en la actualidadEscrito por José Carlos Villajulca    

Los transmisores digitales digitalizan la señal análoga medida y utilizan un microprocesador. La señal analógica al ingresar al transmisor es digitalizada con un ADC. Debido al tiempo necesario para cuantificar una señal, los instrumentos digitales no realizan una medición continua, sólo se toman muestras (samples) de la señal. A continuación veremos una clasificación de los transmisores digitales.

 

Figura 5 Conversión Analógica / Digital

 

TRANSMISOR "INTELLIGENT"

 

Al poseer un microprocesador realiza funciones que no hacen los analógicos: linealiza, compensa en función de otra variable medida o algoritmos y otras.

 

Figura 6 Señales de Entrada y Salida de un Transmisor "Intelligent" o de un "Smart"

 

 

TRANSMISOR "SMART"

 

Su salida es analógica de 4 a 20 mA,  y se puede comunicar con un "hand-held" usando modulación en la salida.

Conexión de Transmisor "Smart"

 

TRANSMISOR DIGITAL

 

Totalmente digital, inclusive la salida. Aunque puede: tener salida analógica de 4 a 20 mA. Los instrumentos "fieldbus" (de campo) son de este tipo.

 

 

Diferencias   entre los transmisores digitales y analógicos

 

t;

• Los componentes electrónicos son diferentes: En un instrumento analógico se utilizan circuitos lineales como los OPAMP's. En los instrumentos digitales se utiliza microprocesador, convertidores ADC, y DAC si se disponen de salidas analógicas.

 

• La señal de salida analógica es generada en forma distinta. En un instrumento digital proviene de un DAC.

 

 

Ventajas de los transmisores digitales

 

• Son flexibles en sus funciones: disponen de más funciones, por la facilidad de

la manipulación de números por un microprocesador. Las funciones pueden ser modificadas o ampliadas cambiando el firmware.

• La salida analógica de 4 a 20 mA es independiente del circuito de medida, su rango puede ser distinto al del instrumento.

• La calibración y Idealización son realizados digitalmente.

• La   idealización   puede  caracterizarse   para   ecualización   de   un   sensor en particular.

• Las técnicas digitales de acondicionamiento son más poderosas.

• Compensa del drift del sensor con la ayuda de un sensor de temperatura.

• Mayor exactitud.

• Mayor rangeabilidad.

• Autodiagnóstico.

• Capacidad de comunicación, como en los instrumentos smart y digitales.

 

En la siguiente figura se puede apreciar la independencia del  circuito de medida y el circuito de salida, los ajustes se hacen de forma independiente.

 

Figura 9 Arquitectura de un Transmisor Digital

 

 

Algunas ventajas de los transmisores analógicos

 

Trabajan en tiempo real. En los instrumentos digitales se toman muestras en el orden de 2 a 20 muestra/s (sean time: 50 ms a 500 ms). Por lo tanto, en procesos muy rápidos no se pueden utilizar instrumentos digitales, se deben usar analógicos.

 

 

Desventajas de los Transmisores analógicos

 

• Necesita  recalibración  para cambiar el  rango de medición, y es necesario experiencia.

• Se necesita retirar el instrumento de la línea para calibrar.

• Los componentes, como los potenciómetros, experimentan "drift".

• La Idealización es fija para un solo tipo de sensor.

 

Las siguientes tablas comparan un transmisor analógico y uno digital, y un transmisor analógico y un "Smart".

 

Transmisor Analógico Digital

Exactitud 0,25 % a 1 % 0,02 % a 0,1 %

 

Tabla 2 Exactitud de Transmisores

 

 

Característica Análogo Smart

Rango: 0-5/30

0-25/150

0-125/750

0-.83/25 "H20

0-8,3/250

0-33,3/1000

Exactitud:

Linealidad:

Histéresis

±0,2 % span ±0,1 % span±0,5 % span

±0,1 % span, incluye histéresis, linealidad y repetibilidad

Estabilidad: ±0,2 % URL - 6 meses ±0,1 % URL-12 meses

 

Tabla 3 Comparación de yn Transmisor de presión Análogo y uno "Smart"

 

 

Los instrumentos de tiempo real

Los instrumentos analógicos trabajan en tiempo real. Los instrumentos digitales se considera que trabajan en tiempo real si "sean time" es mucho menor que las constantes de retardo del proceso controlado. El instrumento digital tiene tiempos muertos introducidos por el ADC y por el tiempo de ejecución del programa del microprocesador.

 

La transmisión digital agrega más tiempo muerto, por ser comunicación serial, y de acuerdo a la eficiencia del protocolo entre el transmisor y receptor. En la siguiente tabla se muestra una comparación de tiempos muertos en lazos con

distintos tipos de transmisores:

 

Lazo A B C

Tipo de transmisor

Análogo Smart(Rosemount)

Digital (fieldbus)

Razón de

actualización

(Actualizaciones/

s)

  5,5 2,7

Tiempo muerto

del transmisor

(ms)

20 400 700

Tiempo muerto

del controlador

(ms)

250 250 250

Otros tiemposmuertos (ms)

480 480 480

Tiempo muerto total (ms)

750 1130 1680

Tabla 4 Tiempos Muertos de Transmisores

 

 

VÁLVULAS INTELIGENTES DE CONTROL

 

La válvula convencional presenta los siguientes problemas:

 

• El posicionador neumático no provee una regulación muy exacta.

• El posicionador neumático es difícil de ajustar.

 

Básicamente el nombre de válvula inteligente se debe a la presencia de un posicionador digital que reemplaza al posicionador tradicional. En el diagrama en bloques mostrado en la figura siguiente, el controlador digital de válvula (DVC) se ubica dentro del posicionador digital cuyas ventajas principales son:

 

• Provee una mejor regulación que el posicionador tradicional.

• Al tener microprocesador realiza funciones y control, diagnóstico y comunicación con un host (PC, DCS o Hand Held).

• La autocalibración de la válvula se da en pocos minutos.

• La válvula puede ser monitoreada, obteniendo información de la posición del vastago y la señal de entrada, así como alarmas de estado o de proceso.

• Fuera de servicio, pero en línea, se pueden realizar pruebas como: histéresis,

"signature" de la válvula (Pactuador vs. desplazamiento del actuador), respuesta a escalón.

 

Figura 10 Diagrama de bloques de una Válvula Inteligente (cortesía dé Fisher)

 

Las variables medidas son:

 

• Desplazamiento del vastago

• Presión del actuador

• Señal de control desde el controlador (4-20 mA)

 

Particularmente en esta válvula se utiliza el protocolo Hart para comunicaciones. Existen otros protocolos cuyas características son materia de otro curso.

 

Figura 11 Posicionador inteligente

 

En la tabla que sigue, se muestra la información accesible remotamente de una válvula inteligente. Se observa la información de identificación, las de diagnóstico, calibración y otras.

 

Tabla 5 - Información obtenida de una válvula inteligente

 

+ INFORMACION, sobre válvulas inteligentes visitar:`

 

http://www.instrumentacionycontrol.net/es/articulos-instrumentacion/16-instrumentacion-elementros-finales-de-control/169-como-son-las-valvulas-de-control-inteligentes-en-la-actualidad-part-1.html

 

http://www.instrumentacionycontrol.net/es/articulos-instrumentacion/16-instrumentacion-elementros-finales-de-control/169-como-son-las-valvulas-de-control-inteligentes-en-la-actualidad-part-2.html

Efecto de ruido en los circuitos de Instrumentación: criterios para minimizar los efectosEscrito por José Carlos Villajulca    

Todo circuito eléctrico tiene ruido en mayor ó menor medida. Éste se vuelve indeseable cuando la relación señal-ruido se vuelve lo suficientemente baja como para afectar negativamente la operación del circuito eléctrico. Esto es evidentemente aplicable a cualquier instrumento electrónico actual.

 

 

Los dispositivos mecánicos ó electromecánicos que causan grandes cambios en corriente ó voltaje son fuentes comunes de ruido. El ruido de radio frecuencia puede provenir de walkie-talkies, sistemas de cómputo inalámbricos y otros sistemas basados en radio. Las fuentes típicas de ruido incluyen la conmutación de líneas de alimentación, la conmutación de cargas inductivas, los arcos luces fluorescentes, máquinas de soldar, la inadecuada separación de conductores de diferentes niveles, rayos, descargas estáticas, armónicos y lazos de tierra. El ruido puede aparecer tanto en las líneas de alimentación como en las de control.

 

Señal con ruido acoplado

 

FORMAS DE ACOPLAMIENTO DE RUIDO

 

El ruido es a menudo-descrito en función a como .se acopla en un circuito. Existen cinco tipos básicos de acoplamiento del ruido: capacitivo, inductivo, radio frecuencia, impedancia común y conductivo.

 

La interferencia electromagnética (RFI por sus siglas en inglés) ó ruido irradiado es acoplado en un circuito dependiendo de que tan cerca está la fuente radiante del receptor. En general, si el receptor está a menos de un sexto de la longitud de onda de la fuente, el mecanismo de acoplamiento del ruido será dominado por los efectos capacitivo e inductivo, pero si esa distancia es mayor a un sexto de la longitud de onda, el ruido irradiado es una onda plana y será acoplado por efectos de radio frecuencia. Esto es comúnmente conocido como interferencia de radio frecuencia (RFI).

 

El ruido capacitiwo ó electrostático es acoplado a un circuito a través de un efecto capacitivo y es basado en voltaje. Una diferencia de voltaje entre dos conductores separados por aire u otro material aislante, crea un condensador a través del cual el ruido es acoplado.

 

El ruido inductivo ó magnéticamente acoplado llega a un circuito a través de un efecto inductivo y está basado en la corriente. La corriente que fluye a través de un circuito, induce una corriente ruidosa en otro circuito. La porción del circuito dentro de la cual se acopla el ruido inductivo, puede ser vista como un lazo simple ó una bobina inductivamente acoplada por una bobina de ruido (circuito).

 

El complejo mecanismo de acoplamiento de la RFI está basado en la reflexión, absorción y efectos de antena. La efectividad del acoplamiento de la RFI en un sistema es función de la fuente de radiación, su fuerza, las características del camino de transmisión. La distancia involucrada y la sensibilidad del receptor.

 

El ruido por impedancia común ocurre cuando hay circuitos distintos que comparten cables comunes (impedancias). Los cables de tierra, neutros comunes extensos y los caminos de retorno compartidos pueden causar acoplamiento por impedancia común.

 

El ruido conducido es acoplado dentro de un circuito a través de la transmisión del ruido debido a cables u otros materiales conductivos. Más tarde ó más temprano, todos los demás ruidos se convierten en ruido conducido. El ruido de modo común es definido entre los cables conductores y el circuito de referencia y el ruido de modo común es definido entre los conductores del circuito y tierra.

 

En general, los factores que determinan el nivel de ruido son:

 

- La impedancia de salida de la señal.

- La impedancia de la carga de la fuente de señal (impedancia de entrada del

circuito receptor).

- La longitud del cable, el tipo de blindaje y la puesta a tierra.

- La cercanía a fuentes de ruido.

- La amplitud de la señal y del ruido.

 

 

GUÍA GENERAL PARA DETERMINAR LA LONGITUD DEL CABLEADO

 

En función al tipo de señales que van a circular por ellos, hay que considerar que la longitud de los cables debe ceñirse a lo siguiente:

 

- Señales de fuente de corriente analógica: Para una señal de 4-20 mA, cable apantallado, ancho de banda limitado a 10 Hz, exactitud requerida del 0.5% y niveles promedio de ruido industrial. Longitud de cable: 300 a 1500 metros.

 

- Señales de fuente de voltaje analógicos: Para una señal de +/-1 a +/-10 V, cable apantallado, ancho de banda limitado a 10 Hz, exactitud requerida del 0.5% y niveles promedio de ruido industrial. Longitud de cable: 15 a 90 metros.

 

- Señales de fuente de Voltaje analógico: Para una señal de 10 mVa 1 V, cable apantallado, ancho de banda limitado a 10 Hz, exactitud requerida del 0.5% y niveles promedio de ruido industrial. Longitud de cable: 1.5 a 30 metros.

 

- Señales digitales TTL: Con un cable tipo plano y niveles promedio de ruido industrial. Longitud de cable: 3 a 30 metros.

 

 

REGLAS PARA PUESTA A TIERRA

 

- Los blindajes a frecuencias inferiores a 1-10 MHz, deben ser puestos a tierra en un solo punto. Los blindajes a frecuencias superiores a 1-10 MHz pueden ser puestos a tierra en varios puntos.

 

Los materiales no magnéticos solo son efectivos contra el ruido electrostático (acoplamiento capacitivo).

 

- Los materiales magnéticos son efectivos contra el ruido electrostático y magnético.

- Los cables trenzados son efectivos contra el ruido magnético y en general son de buena aplicación.

- Los efectos inductivos son más significativos cuando la longitud del cable es mayor al 1/20 de la frecuencia en cuestión.

- En un lazo de instrumentos sin conexión a tierra, se debe seguir la primera regla

- La vulnerabilidad del circuito al ruido acoplado es relativa al lazo del circuito expuesto al ruido. La reducción del lazo, reduce el ruido.