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Gobierno del Estado de México

TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIÓN: INGENIERÍA ELECTRÓNICA

JEFE DE DIVISIÓN: ING. DANIEL CEDILLO ROMÁN MATERIAL DIDÁCTICO: ANTOLOGÍA DE LA ASIGNATURA DE INSTRUMENTACIÓN

DESARROLLÓ:

ING. DAVID MARTÍNEZ ROMERO

PRESIDENTE: M. en C. MIGUEL ÁNGEL ALVARADO CRUZ ACADEMIA DE ELECTRÓNICA

PERÍODO: 2006 – 2 AL 2007 -1

Fecha 31 de Enero de 2008

Secretaria de Educación Subsecretaria de Educación Media Superior y Superior

Tecnológicos de Estudios Superiores de Ecatepec En el Estado de México

Calle Av. Central y Av. Mayo s/n Col. Valle de Anahuac C.P. 55210 Tel. 50 - 00 – 23 – 32 tese.edu.mx

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ÍNDICE

Pág. 1.- Conceptos básicos

1.1 Evolución de la instrumentación --------------------------------------------- 3

1.2 Simbología ISA y SAMA ----------------------------------------------------- 12

1.3 Variables físicas ---------------------------------------------------------------- 21

2.- Sensores y principios de medición

2.1 Medición de nivel ------------------------------------------------------------- 27

2.1.1 Teoría básica ---------------------------------------------------------------- 27

2.1.2 Flotador ------------------------------------------------------------------------ 27

2.1.3 Tubo de vidrio ---------------------------------------------------------------- 29

2.1.4 Desplazamiento -------------------------------------------------------------- 30

2.1.5 Burbujeo ----------------------------------------------------------------------- 31

2.1.6 Columna hidrostática ------------------------------------------------------- 32

2.1.7 Ultra sonido ------------------------------------------------------------------- 33

2.2 Medición de flujo 2.2.1 Teoría básica ----------------------------------------------------------------- 36

2.2.2 Medidores tipo turbina ----------------------------------------------------- 42

2.2.3 Placa calorífica --------------------------------------------------------------- 43

2.2.4 Medidor magnético ---------------------------------------------------------- 44

2.2.5 Turbina Vénturi --------------------------------------------------------------- 48

2.2.6 Anubar -------------------------------------------------------------------------- 50

2.2.7 Medición de flujo en canales abiertos ---------------------------------- 51

2.3 Medición de temperatura

2.3.1 Teoría básica ----------------------------------------------------------------- 53

2.3.2 Termopar ---------------------------------------------------------------------- 54

2.3.3 RTD ----------------------------------------------------------------------------- 59

2.3.4 Térmistor ---------------------------------------------------------------------- 65

2.3.5 Pirómetro óptico (radiación) ----------------------------------------------- 73

2.4 Medición de presión -------------------------------------------------------- 79

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3 Controladores 3.1.- Modos de control ---------------------------------------------------------- 86

3.1.1 ON – off ----------------------------------------------------------------------- 86

3.1.2 On - Off con banda de histéresis -------------------------------------- 87

3.1.3 Proporcional ----------------------------------------------------------------- 87

3.1.4 Proporcional + integral --------------------------------------------------- 90

3.1.5 Proporcional + integral + derivativo ---------------------------------- 91

3.2.- Sintonizador de controladores -------------------------------------- 94 3.3.- Aplicación de los controladores ------------------------------------ 98

4 Actuadores finales de control 4.1 Actuadores neumáticos ----------------------------------------------------100

4.2 Actuadores eléctricos para válvulas -------------------------------------101

4.3 Actuadores de válvulas de control -------------------------------------- 103

5 Tópicos de control de procesos por computadora

5.1 Control de procesos por computadora ----------------------------- 118 5.1.1 Monitores (adquisición de datos) ------------------------------------- 118

5.1.2 Control supervisado ------------------------------------------------------ 118

5.1.3 Control digital directo ---------------------------------------------------- 120

5.2 Control distribuido -------------------------------------------------------- 124 Conclusiones -------------------------------------------------------------------------- 138 Bibliografía ------------------------------------------------------------------------------139

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1.- CONCEPTOS BÁSICOS 1.1.- EVOLUCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN: Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, e industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc. En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el PH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etcétera. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar. En los inicios de la era industrial, el operario llevaba a cabo un control manual de estas variables utilizando sólo instrumentos simples, manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la gradual complejidad con que éstos se han ido desarrollando ha exigido su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control. Estos instrumentos han ido liberando al operario de su función de actuación física directa en la planta y al mismo tiempo, le han permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los instrumentos ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operario le serian imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual. Los instrumentos de control fueron naciendo a medida que las exigencias del proceso lo impusieron. Las necesidades de la industria fueron (y son actualmente) el motor que puso en marcha la inventiva de los fabricantes o de los propios usuarios para idear y llevar a cabo la fabricación de los instrumentos convenientes para los procesos industriales. El desarrollo se inició con los manómetros, termómetros y válvulas manuales localmente montados. En esta fase eran necesarios muchos operadores para observar los instrumentos y maniobrar las válvulas. Los procesos y los instrumentos eran proyectados empíricamente basándose en la intuición y en la experiencia acumulada y no estaban centralizados para conseguir una mayor eficiencia en las funciones del operador. La siguiente etapa fue la centralización de las funciones de medida y de control más importantes, pertenecientes a una operación del proceso, en un panel localmente montado. De este modo podía observarse y controlarse el funcionamiento de cada elemento particular de la instalación de una manera más coordinada y eficaz. Para hacer esto posible, se desarrollaron instrumentos galvanométricos operados por termopar, termómetros con largos capilares y caudalímetros con largos tubos de conducción de la presión diferencial. Sin embargo, los procesos se hicieron más complejos y críticos y

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llegó a hacerse necesario que los operadores observaran el funcionamiento de varias unidades de la instalación simultáneamente. El desarrollo de los transmisores neumáticos permitió la centralización de las funciones de medida y de regulación de toda una unidad del proceso en una sala de control, utilizándose como receptores los instrumentos registradores controladores neumáticos de caja grande que aparecieron hacia el año 1940. Estos instrumentos se perfeccionaron con un diseño modular hacia el año 1946, conservando la unidad automático-manual de 4 posiciones en un subpanel aparte. A medida que pasó el tiempo, estas salas de control se hicieron indebidamente grandes, debido al crecimiento de los procesos y al tamaño de los instrumentos convencionales y se desarrolló la instrumentación neumática miniatura que apareció en el mercado hacia el año 1947, dotada ya con conmutación automático-manual incorporada, pero con el mismo tipo de transferencia. A principios de los años 50 aparecen los primeros instrumentos electrónicos a válvulas. Más tarde se perfecciona la unidad automático-manual neumática, consiguiéndose el cambio en un solo paso, sin que se produzcan saltos en la señal de salida a la válvula y aparecen paralelamente los instrumentos electrónicos miniatura alrededor de los años 1960. El tamaño de estos instrumentos neumáticos y electrónicos es ya reducido, pero todavía experimentará una normalización posterior. Los complejos de múltiples procesos empezaron a utilizar salas de control separadas y la coordinación y la comunicación entre los operadores en estas salas de control comenzaron a plantear algunos problemas. Además se introdujeron equipos centrales de tratamiento de datos que requerían la disponibilidad de diversas señales de medida en un punto central. Los paneles de alta densidad permitieron básicamente que un operador supervisase un gran complejo compuesto por muchos procesos. Los sistemas de instrumentación de alta densidad normalizaron sus dimensiones a 6 X 3" (150 X 75 mm) en indicadores controladores y 6 X 6" (150 X 150 mm) en registradores, y tuvieron que satisfacer los siguientes requisitos básicos e importantes: a) Permitir que el operador asimile rápidamente la información b) Permitir que el operador tome sus decisiones muy rápidamente c) Permitir una rápida ejecución de las decisiones del operador La primera característica la proporcionó el indicador de desviación, que facilita tres elementos de información:

• La existencia de una desviación. • Si la desviación es positiva o negativa • Cuál es la magnitud de la desviación.

La desviación se pone de manifiesto con dos índices de distintos colores, el de la variable de color rojo o naranja y el del punto de consigna de color verde. Una vez desarrollados los instrumentos miniatura neumáticos y electrónicos, los procesos se fueron haciendo poco a poco mucho más complejos y su optimización llegó a ser una necesidad. En esta etapa es donde empezaron a utilizarse los computadores. El primer computador electrónico apareció hacia el año 1946, pero los verdaderos

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computadores de proceso se desarrollaron realmente en los años 1960-1965 y se aplicaron principalmente en centrales térmicas, industries metalúrgicas, químicas y petroquímicas. Permitieron optimizar y controlar las operaciones de la planta obteniendo productos de calidad alta y constante con ahorros importantes en el proceso, a pesar de su coste elevado. Desarrollados los computadores y vistas las características de los instrumentos miniatura analógicos en paneles de alta densidad, la evolución continua de los procesos y la complejidad creciente que los mismos iban adquiriendo hizo que los fabricantes, en colaboración con los usuarios de instrumentos, fueran buscando otras soluciones para que sin utilizar ningún computador o en todo caso empleándolo como auxiliar, el operador no se viera desbordado por la necesidad de captar rápidamente una gran cantidad de información que le era necesaria para llevar a cabo un buen control. La primera tendencia que apareció en 1972 en el mercado fue separar las partes de los instrumentos que realizaban las funciones auxiliares y de control analógico de las de indicación, registro o variaciones del punto de consigna que el operador debía efectuar. De este modo, el primer grupo pasó a una habitación aparte y fue dispuesto de forma modular para que fuera lo más accesible y lo más ventajoso posible para el personal de mantenimiento. El segundo grupo de instrumentos eran puramente aparatos receptores (indicadores y registradores) y otros con posibilidad de envío de señal de punto de consigna (controladores) montados en un panel en la sala de control a la vista del operador o del supervisor de proceso. Hay que señalar que los instrumentos miniatura de funciones separadas se han aplicado con preferencia en calderas y en centrales térmicas quizá debido a la naturaleza compleja de sus sistemas de control. La selección de un sistema o de otro depende de múltiples factores, el mas importante es el grado de complejidad del proceso que fija los costes relativos de cada sistema, pudiendo afirmarse de modo simple que cuanto más complejo sea el proceso tanto más se inclinará la selección por el sistema de funciones separadas. Puede afirmarse que este instrumento tiene un mantenimiento más fácil y que su instalación es preferible en consolas o paneles inclinados por ocupar menos espacio. El instrumento integral es más fácil de ajustar en sus acciones de control y su costo es menor cuando se trata de lazos simples. Existe la necesidad de coordinar los diversos controladores estableciendo una jerarquización entre los mismos y lograr una versatilidad que permita el cambio fácil del tipo de control y obtener la mayor economía posible en el control de la planta. Estas características las reúne el denominado “control distribuido” introducido en 1975 en el que uno o varios microprocesadores se encuentran repartidos en varios puntos de la planta donde están conectados a varias señales de proceso correspondientes, en general, a una parte homogénea de la planta. Estos microprocesadores se distribuyen de forma arquitectónica y están conectados entre sí a través de una vía de comunicaciones, la cual comunica a su vez con el centro supervisor del control central, desde donde se tiene acceso de modo automático o manual a todas las variables de proceso de la planta

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En el control distribuido, el proveedor suministra las consolas de control, de Modo que aquí es innecesario el proyecto y realización del panel de control. Conviene que el usuario indique los tipos de presentación visual que le interesen, prestando su ayuda en el diseño de las pantallas para la representación del proceso, incluyendo la participación de los futuros operadores de la planta, para que ellos, aparte de verse envueltos y reconocido su papel en la planta, puedan influir en la construcción o fabricación de los diagramas, con los que después van a controlar el proceso. La presentación visual o mímica en las consolas puede configurarse incorporando a voluntad del usuario las formas (tuberías, tanques, bombas, etc.) disponibles en la librería gráfica, situando colores diferentes y haciendo que el diagrama visualice los valores medidos en la pantalla, y que el aspecto del proceso sea lo más real posible, por ejemplo, con tanques que se llenan o vacían, con tuberías que cambian de color según el valor de la temperatura, etc. La llamada a la información puede agilizarse por medio de un sistema de infrarrojos que detecta la posición del dedo del operador, al tocar éste la pantalla. De este modo, aparte de las entradas por teclado, el operador, aunque no tenga experiencia, puede pedir al sistema menús de ayuda, diagramas de flujo, presentación de alarmas, etc., sin tener que preocuparse por la sintaxis de las órdenes. La visualización de las alarmas aparece en la pantalla o en la impresora en forma de páginas de listado. Por otro lado, los bloques de alarmas típicos de los paneles gráficos y semigráficos que proporcionaban un pequeño número de datos críticos del proceso se transforman, incorporando un microprocesador y un monitor, con una disposición reticular de las alarmas que pueden comunicarse de modo inteligente con el sistema y que posibilitan la conexión con unidades remotas de 64 puntos o más cada una y con la configuración que se desee. La ventaja fundamental del control distribuido es la mayor seguridad y economía de funcionamiento, al ser los lazos de control de cada microprocesador de menor longitud (por estar situado en el centro óptimo de las variables de proceso captadas) y menos vulnerables al ruido o a los daños; por otro lado, ante la posible (pero poco probable) pérdida de la vía de comunicaciones (que suele ser redundante) los controladores continúan operando localmente. Además, el operador tiene acceso a todos los datos de los controladores (puntos de consigna, variables de proceso, señales de salida a válvulas, etc.) y puede visualizarlos a través de pantallas de televisión, ya que se halla en contacto con los mismos a través de la vía de comunicaciones. Si se desea puede acoplarse un computador al conjunto del sistema para resolver problemas complejos de la Dirección de la planta, desde los más sencillos como tendencias de variables y su interrelación hasta los más complejos como la auditoria energética y la optimización de costos de las diversas secciones de la fábrica.

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La arquitectura distribuida de las funciones del computador permite analizar y comunicar entre si los valores de variables tales como el estado del inventario y análisis de los productos (tanto materias primas como productos terminados), la automatización de la producción y el mantenimiento y la información necesaria para la Dirección para una toma correcta de decisiones sobre la marcha de la Planta (optimización de la producción, mejora de la calidad y ahorro de energía). El control distribuido ha evolucionado en los siguientes aspectos:

• · Controladores multifunción para uso en procesos discontinuos en la modificación fácil y repetitiva de operaciones (recipes), incluyendo control 1ógico y secuencial, paros de emergencia, compensadores y diversos algoritmos de control.

• · Sistemas de optimización de plantas coordinando múltiples controladores programables.

• · Aplicaciones crecientes en el área de modernización de plantas. • · Microprocesadores cada vez mas rápidos pasando por

versiones de 8 bits, 16 bits y 32 bits. • · Apoyo cada vez más perfeccionado al operador, a producción y

a mantenimiento, en su integración en el manejo de la planta (consolas, control avanzado, módulos históricos).

• · Perfeccionamiento en las vías de comunicaciones utilizando cables coaxiales y fibras ópticas, así como nuevos protocolos de comunicaciones.

Se emplean también controladores programables que realizan fundamentalmente funciones de secuencia y enclavamiento de circuitos sustituyendo así a los clásicos circuitos de enclavamiento a relés en los paneles de control. Los controladores programables son microordenadores que admiten programas de secuencia de funciones todo-nada de acuerdo con las necesidades de la instalación y que asimismo, como complemento, pueden realizar funciones de control PID. Los controladores digitales universales basados en microprocesador sustituyen a los clásicos controladores miniatura de panel. Cada microprocesador contiene una unidad central, un reloj, memorias, módulos de entrada/salida, convertidores A/D, temporizadores y una fuente de alimentación, incluyendo físicamente estos elementos en una única tarjeta de circuito impreso. El microprocesador se comporta como un controlador PID con los algoritmos adecuados, acepta puntos de consigna remotos, tiene varios niveles de seguridad de protección de datos, acepta entradas universales (termopares, sondas de resistencia, mA, mV y voltios) y transmite la necesaria información del proceso con varias opciones de comunicaciones (RS 422/RS 485). Una variante de estos instrumentos emplea un bloque controlador PID que incorpora un algoritmo de auto ajuste de las acciones (control adaptativo). Este excita el proceso y la respuesta temporal obtenida es convertida a frecuencial gracias a una integral transformada de Fourier. La respuesta es analizada e introducidos los valores adecuados de las acciones PID, los que son actualizados periódicamente. El instrumento es adecuado para los procesos de

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control difícil y cuyas características cambian con el tiempo y las condiciones de operación. En 1983 aparece el transmisor digital inteligente con señal de salida analógica de 4-20 mA c.c. y se inicia el desarrollo de las comunicaciones (field bus) entre los instrumentos del lazo de control. Se eliminan las incómodas y caras calibraciones necesarias en los instrumentos convencionales y se facilita el cambio del campo de medida y el autodiagnóstico. En 1986 aparece el primer transmisor enteramente digital con lo que aumentan todavía más las prestaciones, con la única limitación importante en la normalización de las comunicaciones donde todavía no es posible el intercambio de instrumentos de diferentes marcas. Cabe también señalar que se están aplicando técnicas de análisis en la interfase hombre-máquina en la seguridad y fiabilidad de operación de sistemas complejos. Estas técnicas se iniciaron en el campo de las centrales nucleares, en aviación y en sistemas informáticos. Estos estudios, cuyo objeto es analizar los incidentes y los accidentes ocurridos (por ejemplo, la catástrofe de Chernobil en Rusia) y poner los medios oportunos para que los errores humanos y técnicos que los han causado no vuelvan a presentarse, han iniciado sus aplicaciones en las plantas de proceso. Las técnicas que utilizan son en general:

- Cadenas de Markov, que definen un proceso aleatorio en un cierto número de estados finitos probables.

- Análisis de fallos en Arbol (fault-tree analysis) que ante un suceso (fallo de un equipo o error humano) proporciona la secuencia cronológica de accidentes que pueden tener lugar.

- Simulación de Monte-Carlo, que permite la estimación del tiempo de fallo de un sistema a partir de las funciones de densidad de probabilidad de sus componentes individuales.

- Técnica Dylam, que modeliza los componentes del sistema, define los algoritmos de control, establece los sucesos de partida (por ejemplo, búsqueda de sucesos que puedan provocar temperaturas elevadas en el proceso) y genera y analiza los sucesos.

- Redes de Petri. Es un método gráfico que describe el flujo de actividades en sistemas complejos.

- Modificación de la fiabilidad humana (razonamiento ante incertidumbre, error humano ante tiempos límite de reacción y factores humanos).

- Fiabilidad del software. Los resultados de estos análisis permiten hacer mínimos los errores humanos en el diseño, la construcción y la operación de la planta. En este último caso, pueden diseñarse modelos hombre-máquina que permiten estudiar los diferentes comportamientos del operador ante situaciones difíciles, en las que tras reconocer la situación, gracias a la información presentada en las pantallas de la sala de control ayudado o no por sistemas expertos, actúa sobre el proceso, y espera que su acción vuelva el proceso a la normalidad. Los fallos que pueda cometer el operador, uno de los cuales es el de fijación, en el que ejecuta la acción errónea una y otra vez sin considerar la evidencia

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de las señales de alarma del proceso, dan lugar en gran parte de las plantas de proceso a un perjuicio económico (se pierden materias primas o en transformación), y en partes determinadas de la planta pueden representar un peligro de explosión o de liberación de gases o de materias peligrosas, por lo que estas consecuencias harán que dichas técnicas se apliquen con profusión para optimizar la interfase hombre-máquina (u hombre- sala de control) y prevenir dichos fallos humanos. En el futuro, puede afirmarse que la tecnología digital evolucionara todavía más integrando totalmente la información de la planta con un flujo de información continuo entre las diversas áreas de la planta (fabricación, mantenimiento, laboratorio y gestión). La aplicación de los instrumentos neumáticos y electrónicos analógicos quedara limitada a pequeñas plantas, ya que, frente a la instrumentación digital, tienen una peor relación costo/prestaciones, no permiten el almacenamiento de volúmenes masivos de información y no disponen de la facilidad de comunicación entre instrumentos que posee la digital. Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable. VARIABLES Y SEÑALES: a) Variables analógicas cuando los datos constituyen matemáticamente un conjunto denso, es decir, que pueden tener cualquier valor dentro de un intervalo determinado según se indica en la figura1.1.1 lo que implica que el número total de valores es infinito.

Figura 1.1.1 gráfica de valores infinitos

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b) Variables digitales cuando los datos constituyen un conjunto finito de valores como se observa en la figura 1.1.2: un caso particular de este tipo de variables es el sistema binario permite dos valores diferentes, denotados normalmente por "O" y "1'’.

La Figura 1.1.3 son señales que guardan información acerca de variables: El valor que interesa se guarda en (a) el valor instantáneo, (b) la amplitud o (c) la fase de una señal periódica, (d) la frecuencia de una señal digital, (e) la fase de una señal digital o en el ancho de pulso como en (f).

Figura 1.1.3 Diferentes Señales de variables binarias

Figura 1.1.2 variables digitales binarias

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El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto. El sistema de control exige pues, para que esta comparación y subsiguiente corrección sean posibles, que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades forma un bucle o lazo que recibe el nombre de bucle de control, el bucle puede ser abierto o bien cerrado ver figura 1.1.4 y 1.1.5.

En la siguiente figura 1.1.6 (a), (b) y (c), representan un ejemplo de la aplicación de control y sus variantes.

Figura 1.1.6 (a) Sistema de control del nivel de agua en un depósito.

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Figura 1.1.6 (b) Diagrama de bloques del sistema de control con

realimentación automática.

Figura 1.1.6 (c) Diagrama de bloques del sistema de control con realimentación manual. 1.2 SIMBOLOGÍA ISA Y SAMA: Para designar y representar los instrumentos de medición y control se emplean normas muy variadas que a veces varían de industria en industria. Esta gran variedad de normas y sistemas utilizados en las organizaciones industriales indica la necesidad universal de una normalización en este campo. Varias sociedades han dirigido sus esfuerzos en este sentido, y entre ellas se encuentra como una de las importantes la Sociedad de Instrumentos de Estados Unidos, ISA (Instrument Society of America) cuyas normas tienen por objeto establecer sistemas de designación (código y símbolos) de aplicación a las industrias químicas, petroquímicas, aire acondicionado, etc. Resumen Norma ISA-S5.1, Generalidades: A) Cada instrumento debe identificarse con sistema de letras que lo clasifique funcionalmente. B) El número de letras funcionales para un instrumento debe ser mínimo, no excediendo de cuatro. Para ello conviene: 1.- Disponer las letras en subgrupos. Por ejemplo, un transmisor registrador de relación de caudales con un interruptor de alarma de relación de caudales puede identificarse con dos círculos uno con FFRT-3 y el otro FFS-3.

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2.- En un instrumento que indica y registra la misma variable medida puede omitirse la letra I (indicación). 3.- Los bucles de instrumentos de un proyecto o secciones de un proyecto deben identificarse con una secuencia única de números. Esta puede empezar con el número 1 o cualquier otro número conveniente, tal como 301 o 1201 que puede incorporar información codificada tal como área de planta. 4.- Si un bucle dado tiene más de un instrumento con la misma identificación funcional, es preferible añadir un sufijo, ejemplo FV-2A, FV-2B, FV-2C, etc., o TE-25-1, TE-25-2, TE-25-3, etc. Estos sufijos pueden añadirse obedeciendo a las siguientes reglas:

i. Deben emplearse letras mayúsculas, A, B, C, etc. ii. En un instrumento tal como un registrador de temperatura multipunto

que imprime números para identificación de los puntos, los elementos primarios

iii. Las subdivisiones interiores de un bucle pueden designarse por sufijos formados por letras y números.

iv. Un instrumento que realiza dos o más funciones puede designarse por todas sus funciones. Por ejemplo, un registrador de caudal FR-2 con pluma de presión PR-4 se designa preferentemente FR-2/PR-4 o bien UR-7; un registrador de presión de dos plumas como PR-7/8; y una ventanilla de alarma para temperatura alta y baja como TAH/L-9.

v. Los accesorios para instrumentos tales como rotámetros de purga, filtros manorreductores y potes de sellos que no están representados explícitamente en un diagrama de flujo, pero que necesitan una identificación para otros usos deben tenerla de acuerdo con su función y deben emplear el mismo número del bucle que el del instrumento asociado. Alternativamente, los accesorios pueden emplear el mismo número de identificaci6n que el de sus instrumentos asociados, pero con palabras aclaratorias si ello es necesario.

vi. Por consiguiente, una brida para una placa-orificio FE-7 debe designarse como FX-7 o bien como FE-7 brida. Un rotámetro regulador de purga asociado con un manómetro PI-8 debe identificarse como FICV-8, pero puede también marcarse PI-8 purga. Una sonda empleada con un termómetro TI-9 será TW-9, o bien, TI-9 sonda.

(a) Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como primera letra y otro, como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como primera letra el módulo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio. (b) La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se utilicen sólo una vez o un número limitado de veces. Se recomienda que su significado figure en el exterior del círculo de identificación del instrumento. Ejemplo: XR-3 registrador de vibración. (c) Cualquier letra primera si se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F (relación) o Q (integración) o cualquier combinación de las mismas cambia su significado para representar una nueva variable

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medida. Por ejemplo, los instrumentos TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura, respectivamente. (d) La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla 1.1, que no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado del símbolo en el diagrama de proceso. (e) El empleo de la letra U como multi- variable en lugar de una combinación de primeras letras, es opcional. (f) El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y exploración, es preferible pero opcional. (g) El término seguridad, debe aplicarse sólo a elementos primarios y a elementos finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o el personal). Por esto motiva, una válvula autorreguladora de presión que regula la presión de salida de un sistema, mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe ser PCV, pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de emergencia, se designa PSV. La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para proteger contra condiciones do emergencia de presión sin tener en cuenta si las características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula de seguridad, válvula de alivio, o válvula de seguridad de alivio. (h) La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporcionan una visión directa no calibrada del proceso. (i) La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso. No se aplica a la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de ésta. (j) Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra seguida de la letra sucesiva L. Por ejemplo, una luz piloto que indica un período de tiempo terminado se designará KL. Sin embargo, si se desea identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma a bien alternativamente por una letra única L. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un motor eléctrico puede identificarse EL, suponiendo que la variable medida adecuada es la tensión, o bien XL, suponiendo que la luz es excitada por los contactos eléctricos auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L. La actuación de la luz piloto puede ser acompañada por una señal audible. (k) El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras, es opcional.

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(l) Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así. (m) Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo, una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae a un valor bajo. (n) Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre- apertura, se definen como sigue: Alto: indica que la válvula está, o se aproxima a la posición de apertura completa. Bajo: denota que se acerca o está en la posicion completamente cerrada. En la figura 1.2.1 se muestra a continuación los símbolos a emplear en los planos y dibujos de representación de instrumentos en los procesos industriales.

Se sugieren las siguientes abreviaturas pare representar el tipo de alimentación (o bien de purga de fluidos).

• AB Alimentación de aire • ES Alimentación eléctrica • GS Alimentación de gas • HS Alimentación hidráulica • NS Alimentación de nitrógeno • SS Alimentación de vapor • WS Alimentación de agua

Figura 1.2.1 Simbología normalizada utilizada en la industria

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Resumen Norma ISA-S5.3 El objeto de esta norma es documentar los instrumentos formados por ordenadores, controladores programables, mini ordenadores y sistemas a microprocesador que disponen de control compartido, visualización compartida y otras características de interfase. Los símbolos representan la interfase con los equipos anteriores de la instrumentación de campo, de la instrumentación de la sala de control y de otros tipos de hardware. El tamaño de los símbolos debe ser conforme a la norma ISA-S5.1, a la que complementa. Símbolos de visualización del control distribuido/compartido 1.- Accesible normalmente al operador-indicador/controlador/registrador o punto de alarma.

(a) Visualización compartida. (b) Visualización y control compartidos. (c) Acceso limitado a la red de comunicaciones. (d) Interfase del operador en la red de comunicaciones.

2.- Dispositivo de interfase auxiliar del operador.

(a) Montado en panel; carátula analógica; no está montado normalmente en la consola del operador (b) Controlador de reserva o estación manual. (c) El acceso puede estar limitado a la red de comunicaciones. (d) Interfase del operador vía la red de comunicaciones.

3.- No accesible normalmente al operador.

(a) Controlador ciego compartido. (b) Visualización compartida instalada en campo. (c) Cálculo, acondicionamiento de señal en controlador compartido. (d) Puede estar en la red de comunicaciones. (e) Normalmente operación ciega (f) Puede ser alterado por la configuración.

símbolo del ordenador: A utilizar cuando los sistemas incluyen componentes identificados como ordenadores, diferentes de un procesador integral que excita las varias funciones de un sistema de control distribuido. El componente ordenador puede

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ser integrado en el sistema, vía la red de datos, o puede ser un ordenador aislado.

4.- Normalmente accesible al operador-indicador/controlador/registrador o punto de alarma. Utilizado usualmente para indicar la pantalla de vídeo.

5.- Normalmente no accesible al operador.

(a) Interfase entrada/salida. (b) Cálculo /acondicionamiento de señal dentro de un ordenador (c) Puede usarse como un controlador ciego o como módulo de cálculo de software.

Símbolos de control lógico y secuencial.

6.- Símbolo general. Para complejos no definidos interconectando control lógico o secuencial. 7.- Control distribuido interconectando controladores lógicos con funciones 1ógicas binarias o secuenciales.

(a) Paquete de controlador lógico programable o controladores lógicos Integrados con el equipo de control distribuido. (b) No accesible normalmente al operador.

8.- Control distribuido interconectando un controlador lógico con funciones lógicas binarias o secuenciales.

(a) Paquete de controlador lógico programable o controladores lógicos digitales integrados con el equipo de control distribuido. (b) Accesible normalmente al operador.

Símbolos de funciones internas del sistema.

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9.- Cálculo/acondicionamiento de señal.

(a) Para identificación de bloques consulte ISA-S5.1 tabla 2 “designaciones de funciones para relés”.

(b) Para requerimientos de cálculo amplios, use la designación Escriba aclaraciones en documentación suplementaria. (c) Utilizado en combinación con válvulas de alivio según ISA-S5.1.

10.- Red del sistema. Símbolos comunes: (1) Usado para indicar una red de software, o conexiones entre funciones suministradas en el sistema del fabricante. (2) Alternativamente, la red puede ser mostrada implícitamente por símbolos contiguos. (3) Puede utilizarse para indicar una red de comunicaciones a opción del usuario. Registradores y otros sistemas de retención de datos históricos. Los registradores convencionales, tales como los de gráfico de banda se mostrarán de acuerdo con ISA-S51 En los registradores asignables utilice el símbolo 1. El almacenamiento en masa de largo plazo de una variable de proceso mediante memorias digitales como cinta, disco, etc., debe representarse de acuerdo con los símbolos de visualización de control distribuido/compartido o símbolos de ordenador de esta norma, dependiendo de la localización del aparato. Una explicación de estos símbolos publicados por SAMA (Asociación de Fabri-cantes de Aparatos Científicos, octubre del 2004) está dado en la figura 1.2.2.

Figura 1.2.2 Tabla de funciones lógicas normalizadas por SAMA

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IDENTIFICACIÓN DEL INSTRUMENTO: Los instrumentos son generalmente identificados por números en una etiqueta. El número de la etiqueta identifica (1) la función en el proceso y (2) el lazo de control en el cual está localizado. La figura 1.2.3 indica cómo las letras y los números son seleccionados y agrupados para lograr una rápida identificación.

La función o variable de proceso puede ser fácilmente asociada con el tipo de medición hecha en el proceso. Así, el FRC (Flor Recorder Controler por sus siglas en ingles) mostrado en la figura. b identifica un controlador registrador de flujo. Las letras del alfabeto son utilizadas para formar la combinación de estos nombres. En la figura 1.2.4 su muestra la tabla con las letras correspondientes a cada término.

Figura 1.2.4. Tabla de Literales usadas para la identificación de instrumentos

Figura 1.2.3 Etiquetas de identificación utilizadas en los instrumentos

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Los números para la identificación del lazo de control tienen una base diferente y sirve para un propósito diferente. El FR de la figura 1.2.6, por ejemplo, es también el número del lazo del instrumento en este caso 102 en un proceso. Este número puede ser modificado posteriormente para indicar la localización del instrumento. Por ejemplo, la figura 1.2.6 podría haber sido numerada también FR 25- 102 ó 25 FR 102. Ambos códigos se leen de la siguiente manera: Controlador registrador de flujo No. 102, construcción 25. Normalmente cuando se tiene varios instrumentos del mismo tipo se agrega una letra después del número. Por ejemplo, si el registrador de flujo recibe señales de dos transmisores de flujo separados, la etiqueta de un transmisor se podría leer FT 102 A (flor transmiter por sus siglas en ingles) y la otra se podría identificar por FT 102 B. En los diagramas los números de la etiqueta son colocados dentro de círculos. La figura 1.2.6 muestra varias normas de arreglos de círculos. Note que la identificación funcional está siempre en la mitad superior del globo mientras que el número del lazo de control está en la mitad inferior. Una línea dibujada en el centro indica un instrumento montado en el panel de control. Un círculo sin línea en el centro indica que está montado en forma local o en el campo. Una línea punteada indica que está montado atrás del tablero de control Cuando dos círculos son dibujados unidos (figura 1.2.6), están indicando múltiples funciones. Por ejemplo si el FRC (Control registrador de flujo) mostrado incluye una segunda plumilla para graficar presión, un circulo doble aparecería en el dibujo para indicar su función. Un número colocado fuera del círculo identifica el tablero de control donde el instrumento está instalado (Figura 1.2.5).

Figura 1. 2.5 Carácter utilizado fuera del círculo para identificar él número de tablero de control

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Símbolos en el Control de Procesos: Los símbolos de los instrumentos que representan un proceso de intercambio de calor están mostrados en la figura 1.2.6. Note que se utilizan varios elementos primarios y varios tipos de señales son utilizados. Aunque las señales eléctricas y neumáticas no son comúnmente utilizadas juntas, ambas son utilizadas en este diagrama para demostrar aplicaciones típicas de los símbolos de instrumentos. Así el registrador de flujo 100 que está montado en el panel, tiene una entrada neumática y el controlador registrador de temperatura 101 que está montado en el panel, tiene un sistema de llenado térmico o entrada capilar. Usualmente se puede obtener considerable información sobre procesos e instrumentación estudiando un dibujo similar a la figura 1.2.6. Aquí los lazos combinados para la medición del flujo de vapor (FR 102) y la presión del vapor (PR 103) ilustran cómo son aplicados los símbolos.

1.3 VARIABLES FÍSICAS: Existen muchas variables que son de interés industrial y que pueden clasificarse como físicas y químicas. Las variables físicas son aquellas relacionadas con las causas físicas que actúan sobre un cuerpo, con su movimiento o bien con las propiedades físicas de las sustancias. Entre ellas están: la presión, la temperatura, el nivel, el flujo, el peso, la velocidad, la densidad y el peso especifico, la humedad y el punto de rocío, la viscosidad y la consistencia, la llama, el oxigeno disuelto, la turbidez y la radiación solar. Las variables químicas están relacionadas con las propiedades químicas de los cuerpos o con su composición.

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Entre ellas se encuentran la conductividad, el pH, redox, y la composición de los gases en una mezcla. En las siguientes unidades se estudiarán la medición y transmisión de las variables de proceso más comunes que se encuentran en la industria como la presión, el flujo, el nivel y la temperatura. A continuación definiremos otras variables físicas menos comunes. Peso: El peso de un cuerpo es la fuerza con que es atraído por la Tierra. La relación entre la masa del cuerpo, es decir, la cantidad de materia que contiene, y su peso viene dado por la expresión

P = m g En la que:

P = peso m =masa

g = aceleración debida a la gravedad Como la masa de un cuerpo es constante y la aceleración de la gravedad varía con el lugar (es de 9.78 en el ecuador y 9.83 en los polos) y también con la altura, es obvio que el peso del cuerpo variará según el lugar de la Tierra y la altura a que esté sobre el nivel del mar. Velocidad: La medición de la velocidad en la industria se efectúa de dos formas: con tacómetros mecánicos y con tacómetros eléctricos. Los primeros detectan el número de vueltas del eje de la máquina por medios exclusivamente mecánicos pudiendo incorporar o no la medición conjunta del tiempo para determinar el número de revoluciones por minuto (r.p.m.), mientras que los segundos captan la velocidad por sistemas eléctricos. Para usos industriales se suelen utilizar los tacómetros eléctricos porque permiten la transformación directa de la señal para alimentar los instrumentos registradores o controladores de panel. Un caso de aplicación típica lo constituye la medida de la velocidad de giro del eje de una turbina en una central de energía. Densidad y peso específico: La densidad o masa específica de un cuerpo se define como su masa por unidad de volumen, expresándose normalmente en g/cm3. Como la densidad varía con la temperatura y con la presión (en los gases) se específica para un valor base de la temperatura que en los líquidos suele ser de 0oC o de 15ºC y en los gases de 0oC y para un valor estándar de la presión que en los gases es de 1 atmósfera. La densidad relativa es la relación para iguales volúmenes de las masas del cuerpo y del agua a 4ºC en el caso de líquidos, y en los gases la relación entre la masa del cuerpo y la del aire en condiciones normales de presión y de temperatura (0oC y 1 atmósfera). El peso específico es el peso del fluido por unidad de volumen. Por lo tanto, entre el peso específico y la densidad existirá la relación: Peso específico = densidad * g

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Siendo g la aceleración debida a la gravedad. Si el peso específico y la densidad se refieren al agua en el caso de líquidos o al aire en el caso de gases (densidad relativa), como g tiene el mismo valor en el lugar donde se efectúa la medición involucrando variables representadas en el siguiente diagrama figura 1.3.1 como patrón de comparación, por ejemplo obtener, el resultado del peso específico relativo será igual a una densidad relativa.

Adquisición de datos: La información de las variables a medir es adquirida y convertida en una señal eléctrica. De esta etapa dependerá en gran medida las prestaciones del sistema, ‘g’ medida. Procesamiento de datos: Consiste en el procesamiento, selección y manipulación de los datos con arreglo a los objetivos perseguidos. Esta función suele ser realizada por un procesador digital, tipo microcontrolador o procesador digital de señal (Digital Signal Processor o OSP). Distribución de datos: El valor medido se presenta a un observador (por ejemplo, mediante un display), se almacena (por ejemplo, en disco o en un chip de memoria) o bien se transmite a otro sistema. Acondicionamiento de señal: trata la señal eléctrica para adaptarla al siguiente bloqué de la cadena. El acondicionamiento puede incluir:

- Amplificación. - Filtrado. - Conversión de niveles. - Conversión de tensión a corriente y viceversa. - Conversión de tensión a frecuencia, y viceversa. - Linealizacion etc.

Visualización: unidad que presenta la información al operador. Sistema de control: procesa los datos de acuerdo al algoritmo de control y genera la señal de mando. Los sistemas de control pueden ser:

- Analógicos: emplean circuitos analógicos para el control. - Digitales: basados en procesadores digitales.

Figura 1.3.1 Patrón para un sistema de medida

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Actuadores: conjunto de dispositivos que modifican la respuesta del sistema. . Sistemas de transmisión remota: permite transmitir la información entre la planta y el sistema de control en el caso de que estén alejados uno del otro como se representan en las figuras 1.3.2, 1.3.3 y 1.3.4, así como la represtación de la proporcionalidad que existen en las funciones para diferentes instrumentos con el patrón

Figura 1.3.2 transmisión de información para un sistema de instrumentación

Figura 1.3.3 Arquitectura centralizada para un sistema de instrumentación

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Representación de la curva de calibración ideal y la que corresponde a dos instrumentos reales. Se puede observar en la figura 1.3.5 que el instrumento 1 proporciona una salida que siempre es un cierto nivel S1, mayor que el ideal.

Figura 1.3.4 Arquitectura distribuida de un sistema de instrumentación

Figura 1.3.5 Curva de calibración ideal para sistemas de instrumentación

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El instrumento 2, además de presentar un cierto nivel menor S2 tiene una sensibilidad diferente a la ideal. Se muestra lo siguiente: en la Figura 1.3.6(a) concepto general de función de transferencia y la Figura 1.3.6(b) señales de entrada y salida teniendo en cuenta el "retraso y modificación" impuesto por el sistema. Figura 1.3.6 (a) función de transferencia y, (b) señales de "retraso y modificación" impuesto por el sistema. Modelado teórico: consiste en extraer las relaciones teóricas entre las variables del sistema, su linealización en tomo a un punto de funcionamiento y la aplicación de la transformación de Fourier (o de Laplace) para conseguir su función de transferencia. Suele ser una labor tediosa en muchos casos y las necesidades realizar aproximaciones y linealizaciones le impide alcanzar gran exactitud. Modelado empírico: consiste en someter el sistema a determinadas excitaciones en la entrada y observar su salida, que muestra una buena parte del comportamiento del sistema. Esta técnica se puede llevar a cabo de varias formas diferentes: introduciendo un barrido de todas las frecuencias en la señal de entrada con lo que obtenemos punto a punto, y para cada una de esas frecuencias, la relación salida/entrada, introduciendo ruido blancos u observando la respuesta del sistema ante una entrada impulsional o en escalón según se muestra en la figura 1.3.7

Figura 1.3.7 Respuesta de un sistema de la señal escalón

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2.- SENSORES Y PRINCIPIOS DE MEDICIÓN: 2.1 Medición de nivel Objetivo: Comprender y aplicar los diferentes principios de las principales variables físicas así como usar los transmisores de cada variable en mediciones sencillas. 2.1.1 Teoría básica: En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales. La utilización de instrumentos electrónicos con microprocesador en la medida de otras variables, tales como la presión y la temperatura, permite añadir <inteligencia> en la medida del nivel, y obtener precisiones de lectura altas, del orden de ± 0.2 %, en el inventario de materias primas o finales o en transformación en los tanques del proceso. El transmisor de nivel <inteligente> hace posible la interpretación del nivel real (puede eliminar o compensar la influencia de la espuma en flotación del tanque, en la lectura), la eliminación de las falsas alarmas (tanques con olas en la superficie debido al agitador de paletas en movimiento), y la fácil calibración del aparato en cualquier punto de la línea de transmisión. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos que son dos mediciones claramente diferenciadas. Los medidores de nivel de líquidos trabajan midiendo, bien directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia, bien la presión hidrostática, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque del proceso, o bien aprovechando características eléctricas del líquido. 2.1.2 Flotador: Los instrumentos de flotador consisten en un flotador situado en el seno del líquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser directa, magnética o hidráulica. El flotador conectado directamente está unido por un cable que desliza en un juego de poleas a un índice exterior que señala sobre una escala graduada. Es el modelo más antiguo y el más utilizado en tanques de gran capacidad tales como los de fuel-oil y gas-oil. Tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse y de que el tanque no puede estar sometido a presión. Además, el flotador debe mantenerse limpio. El flotador acoplado magnéticamente desliza exteriormente a largo de un tubo guía sellado, situado verticalmente en el interior del tanque. Dentro del tubo, una pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y un cable y un juego de poleas arrastra el índice de un instrumento situado en la parte superior del tanque.

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A continuación se muestran en la figura 2.1.2.1 ejemplos de flotadores tipo magnético:

El instrumento puede además ser transmisor neumático o eléctrico. Una variante de la conexión magnética consta de un tubo conteniendo un flotador, dotado de un imán que orienta una serie de cintas magnéticas dispuestas en el exterior y a lo largo del tubo ver figura 2.1.2.2. A medida que el nivel sube o baja, las cintas giran, y como tienen colores distintos en su anverso y reverso, visualizan directamente el nivel del tanque. El instrumento puede tener interruptores de alarma y transmisor incorporados. En tanques pequeños, el flotador puede adaptarse para actuar magnéticamente sobre un transmisor neumático o eléctrico dispuesto en el exterior del tanque permitiendo así un control del nivel; una aplicación típica la constituye el control de nivel de una caldera de pequeña capacidad de producción de vapor. El flotador acoplado hidráulicamente actúa en su movimiento sobre un fuelle de tal modo, que varia la presión de un circuito hidráulico y señala a distancia en el receptor el nivel correspondiente. Permite distancias de transmisión de hasta 75 m y puede emplearse en tanques cerrados. Sin embargo, requiere una instalación y calibración complicadas y posee partes móviles en el interior del tanque. Hay que señalar que en estos instrumentos, el flotador puede tener formas muy variadas y estar formado por materiales muy diversos según sea el tipo de fluido. Los instrumentos de flotador tienen una precisión de +0.5 %. Son adecuados en la medida de niveles en tanques abiertos y cerrados a presión o al vacío, y son independientes del peso especifico del liquido.

Figura 2.1.2.1 Flotadores de tipo magnético

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Por otro lado, el flotador puede agarrotarse en el tubo guía por un eventual depósito de los sólidos o cristales que el liquido pueda contener y además los tubos guía muy largos pueden dañarse ante olas bruscas en la superficie del liquido o ante la caída violenta del líquido en el tanque.

2.1.3 Tubo de vidrio: El tubo de vidrio tiene sus extremos como se observa en la figura No. 2.1.3 conectados a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas que están unidos al tanque generalmente mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo para impedir el escape del líquido en caso de rotura del cristal y una de purga.

El tubo de vidrio normal se emplea para presiones hasta 7 bar. A presiones más elevadas el cristal es grueso, de sección rectangular y esta protegido por una armadura metálica. La lectura de nivel se efectúa con un cristal a reflexión o bien por transparencia. En el primer caso, el vidrio en contacto con el líquido esta provisto de ranuras longitudinales que actúan como prismas de reflexión indicando la zona de líquido con un color oscuro casi negro y la zona superior en contacto con el vapor de color claro. En la lectura por transparencia empleada para apreciar el color, características o interfase del líquido, éste está contenido entre dos placas de vidrio planas y paralelas que permiten ver directamente el nivel, mejorándose la apreciación visual al acoplar una lámpara de iluminación al sistema. Para mayor seguridad, las válvulas de cierre incorporan una pequeña bola que actúa como válvula de retención en caso de rotura del vidrio. Los niveles de vidrio son susceptibles de ensuciarse por las características del líquido que miden, impidiendo que el nivel pueda apreciarse claramente. Entre los líquidos que presentan este inconveniente figuran el caramelo y los líquidos pegajosos.

Figura 2.1.2.2 Sistema del flotador

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El nivel de vidrio permite sólo una indicación local, si bien pueden emplearse espejos para lectura a distancias limitadas o bien utilizar cámaras de televisión para mayores distancias de transmisión. Su ventaja principal es la gran seguridad que ofrece en la lectura del nivel del líquido pudiendo controlar con ellos la lectura de los otros tipos de aparatos de nivel.

2.1.4 Desplazamiento: El medidor de nivel de tipo desplazamiento consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque como se observa en la figura 2.1.4. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada, es decir, al momento ejercido por el flotador. El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los 90. El tubo proporciona además un cierre estanco entre el flotador y el exterior del tanque (donde se dispone el instrumento receptor del par transmitido). El instrumento puede utilizarse también en la medida de interfase entre dos líquidos inmiscibles de distinta densidad (por ejemplo, agua y aceite). En este caso el flotador es de pequeño diámetro y de gran longitud y está totalmente sumergido. El peso del volumen desplazado por el flotador, es decir, el empuje, se compone entonces de dos partes, del líquido más denso en la parte inferior y del menos denso en la superior, con una línea de separación (interfase) de la que depende el par de torsión proporcionado al transmisor exterior. El instrumento sirve también para medir la densidad del líquido. En este caso, el flotador está totalmente sumergido. El campo de medida de densidades es bastante amplio, de 0.4 a 1.6. El cuerpo del medidor puede estar montado directamente en el tanque (montaje interno) o en un tubo vertical al lado del tanque (montaje exterior). El movimiento del brazo de torsión puede transmitirse por medio de un eslabón a un transmisor neumático o electrónico de equilibrio de fuerzas, permitiendo en la conexión una compensación mecánica para el peso especifico del líquido. El instrumento puede utilizarse en tanques abiertos y cerrados a presión o a vacío, tiene una buena sensibilidad pero presenta el inconveniente del riesgo

Figura 2.1.3 tubos de vidrio

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de depósito de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida y es apto sólo para la medida de pequeñas diferencias de nivel. La medida del nivel de interfases requiere flotadores de gran volumen.

2.1.5 Burbujeo: El medidor de tipo burbujeo emplea un tubo sumergido en el líquido a cuyo través se hace burbujear aire mediante un rotámetro con un regulador de caudal incorporado. La presión del aire en la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido, es decir, al nivel. El regulador de caudal permite mantener un caudal de aire constante a través del líquido independientemente del nivel; si no existiera, habría una gran diferencia en los caudales de aire necesarios desde el nivel mínimo al máximo, con el inconveniente de un gasto de aire indebido. La tubería empleada suele ser de ½” con el extremo biselado para una fácil formación de las burbujas de aire. Una tubería de menor diámetro tipo capilar reduciría el tiempo pero produciría un error en la medida provocado por la pérdida de carga del tubo. La presión de aire en la tubería, es decir, el nivel, se mide mediante un manómetro de fuelles cuyo campo de medida corresponde a la presión máxima ejercida por el líquido. El manómetro receptor puede colocarse hasta distancias de 200 m. El sistema puede emplearse también en tanques cerrados con dos rotámetro-regulador y con las señales de aire conectadas a un transmisor de presión diferencial. Como es 1ógico, la presión del aire de purga debe ser superior a la presión interna del tanque. Señalemos que no sólo puede utilizarse aire sino también otros tipos de gases e incluso liquido como fluido de purga y que el tubo debe tener una longitud adecuada para evitar que las variaciones bruscas del nivel introduzcan en su interior una cierta columna de líquido que retarde el paso del aire y falsee momentáneamente la lectura. El método de burbujeo es simple y da buen resultado, en particular, en el caso de líquidos muy corrosivos o con sólidos en suspensión y en emulsiones. No se recomienda su empleo cuando el fluido de purga perjudica al liquido y para fluidos altamente viscosos donde las burbujas formadas del aire o del gas de purga presentan el riesgo de no separarse rápidamente del tubo. Desde el

Figura 2.1.4 Flotadores de Tipo desplazamiento para gran volumen

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punto de vista de mantenimiento, es muy útil situar una T con un tapón en la parte superior del tubo para su limpieza periódica.

2.1.6 Columna hidrostática: Las mediciones de nivel que se basan en la presión que ejerce un líquido por su altura, implican que la densidad sea constante. El instrumento se debe calibrar para una densidad específica y cualquier cambio en ella trae consigo errores de medición. El método más simple para medir el nivel de un líquido en un recipiente abierto, es conectar un medidor de presión por debajo del nivel más bajo que se va a considerar. Este nivel es, entonces, el de referencia y la presión estática indicada por el medidor es una medida de la altura de la columna del líquido sobre el medidor, y por lo tanto del nivel del líquido. La simplicidad de este método no debería ser una razón para dejar de verlo. Los niveles de líquidos corrosivos, altamente viscosos o con sólidos en suspensión, también se pueden medir con medidores de presión, cuando se utilizan líquidos separadores o diafragmas. Un líquido separador es un fluido con el que se llena el sistema de medición. La superficie libre de éste, queda en contacto directo con el líquido medido. Sin embargo, los dos líquidos no deben mezclarse o reaccionar químicamente. Un diafragma se diferencia del anterior, en que éste separa el líquido en el sistema medidor, del líquido que se está midiendo. Responde al cambio en el nivel del líquido con un aumento o disminución de su deformación, debida al cambio en presión estática que se ejerce sobre é1, por el cambio. El diafragma comunica con el elemento de presión por medio de un tubo capilar que se llena con líquido inerte, y el movimiento del diafragma se transmite así directamente al elemento de presión. El medidor de presión (descrito con detalle en el capitulo 3), cuando se usa para mediciones de nivel de líquido, se calibra en unidades de presión, en unidades de nivel de líquido correspondientes a la gravedad especifica del líquido, o en unidades volumétricas calculadas según las dimensiones del recipiente. También se puede calibrar de 0 a 100, lo que permite lecturas en términos de tanto por ciento de nivel máximo. Para que el medidor lea cero cuando el liquido está en su nivel mínimo, a través del elemento accionador debe haber

Figura 2.1.5 Medición de presión Utilizando tubo d e burbujeo

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una línea horizontal aproximadamente al mismo nivel que la línea de centros de la toma de la tubería de mínimo nivel. En el medidor se pueden usar tornillos de ajuste a cero para compensar pequeñas diferencias. Para controlar el límite, el medidor de presión puede ser un controlador, o puede estar ligado a un interruptor de presión (ver figura 2.1.6 (a) sistema de aplicación, (b) elemento físico), cuando no se requiere una indicación de nivel, este último es suficiente.

a) Sistema del medidor de presión hidrostática:

2.1.7 Ultra sonido: El sistema ultrasónico de medición de nivel, representado en la figura 2.1.7, se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque.

a) Elemento físico para la medición presión hidrostática

Figura 2.1.6 (a), (b) medidores de Presión

EmisorReceptor

Medidor de nivel de ultrasonidoFigura 2.1.7.Medidor de nivel con ultrasonido

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Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 kHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del líquido. En las aplicaciones de alarma de nivel los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando el líquido los moja. En el caso de indicación continua del nivel, la fuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez que ha transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda a la superficie del sólido o del líquido. El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para enviar un impulso ultrasónico a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta señal reflejada enviando una señal función del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel, a un oscilógrafo o a un indicador. La precisión de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %. Son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos. La utilización del ordenador permite, a través de un programa, almacenar el perfil ultrasónico del nivel, y así tener en cuenta las características particulares de la superficie del líquido, tal como la espuma, con Io cual se mejora la precisión de la medida. Por otro lado, el ordenador facilita la conversión del nivel a volumen del tanque para usos de inventario, y además proporciona características de autocomprobación del instrumento. El medidor de nivel de ultrasonido en sólidos, consiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos está más bajo que el haz, el sistema entra en oscilación enclavando un relé. Cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el relé se desexcita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del depósito. Disponiendo el haz de ultrasonidos en dirección vertical, el instrumento puede actuar como indicación continua del nivel midiendo el tiempo de tránsito de un impulso ultrasónico, entre la fuente emisora, la superficie del producto donde se refleja y el receptor situado en la propia fuente. Como la superficie de la mayor parte de los productos sólidos reflejan en mayor o menor grado los ultrasonidos, el sistema es adecuado para la mayor parte de los sólidos con mucho polvo, alta humedad, humos o vibraciones, y puede emplearse tanto en materiales opacos como transparentes. Sin embargo, si la superficie del material no es nítida, el sistema es susceptible de dar señales erróneas. El uso del ordenador permite resolver este inconveniente, al almacenar el perfil ultrasónico del lecho del sólido e interpretarlo para obtener el nivel correcto del sólido. Asimismo, el ordenador proporciona características de autocomprobación del instrumento de medida. Su precisión es de ± 0.15 a ± 1 %, puede construirse a prueba de explosión, pudiendo trabajar a temperaturas de hasta 150ºC.

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Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 kHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del líquido En las aplicaciones de alarma de nivel los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando el liquido los moja. En el caso de indicación continua del nivel, la fuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez que ha transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda a la superficie del sólido o del líquido. El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para enviar un impulso ultrasónico a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta señal reflejada enviando una señal función del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel, a un oscilógrafo o a un indicador. La precisión de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %. Son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos. La utilización del ordenador permite, a través de un programa, almacenar el perfil ultrasónico del nivel, y así tener en cuenta las características particulares de la superficie del líquido, tal como la espuma, con Io cual se mejora la precisión de la medida. Por otro lado, el ordenador facilita la conversión del nivel a volumen del tanque para usos de inventario, y además proporciona características de autocomprobación del instrumento. El medidor de nivel de ultrasonido en sólidos ver figura 2.1.9, consiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos está más bajo que el haz, el sistema entra en oscilación enclavando un relé. Cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el relé se desexcita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del depósito. Disponiendo el haz de ultrasonidos en dirección vertical, el instrumento puede actuar como indicación continua del nivel midiendo el tiempo de tránsito de un impulso ultrasónico, entre la fuente emisora, la superficie del producto donde se refleja y el receptor situado en la propia fuente. Como la superficie de la mayor parte de los productos sólidos reflejan en mayor o menor grado los ultrasonidos, el sistema es adecuado para la mayor parte de los sólidos con mucho polvo, alta humedad, humos o vibraciones, y puede emplearse tanto en materiales opacos como transparentes. Sin embargo, si la superficie del material no es nítida, el sistema es susceptible de dar señales erróneas. El uso del ordenador permite resolver este inconveniente, al almacenar el perfil ultrasónico del lecho del sólido e interpretarlo para obtener el nivel correcto del sólido. Asimismo, el ordenador proporciona características de autocomprobación del instrumento de medida.

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Su precisión es de ± 0.15 a ± 1 %, puede construirse a prueba de explosión, pudiendo trabajar a temperaturas de hasta 150ºC. La figura 2.1.8 muestra que los símbolos de nivel y las instalaciones actuales tienen mucho en común. Note la diferencia entre LI 18 y LT 19. El LI 18 tiene una derivación diferencial aplicada a un recipiente cerrado o presionado y el LT 19 es conectado a un tanque abierto, además el lado de baja presión es venteado a la atmósfera.

A continuación se muestra la forma física de otro tipo de Medidor de nivel por ultrasonido (figura 2.1.9).

Figura 2.1.9

2.2 Medición de flujo: 2.2.1 Teoría básica:

Flujo. Es la cantidad de fluido que pasa a través de la sección por unidad de tiempo. Por ejemplo, en cierta tubería puede haber un régimen de flujo de 100 galones de agua por minuto. Esto quiere decir que durante cada minuto que transcurre

Figura 2.1.8 Elementos primarios de control de nivel

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pasan 100 galones de agua. Si se considera el numero de galones que van a pasar a partir de cierto momento, después de dos minutos 200 galones, etc. Si el régimen de flujo se mantiene con el mismo valor, después de cierto tiempo habrá pasado un numero total de galones igual al régimen de flujo multiplicado por el tiempo transcurrido; por ejemplo, después de 15 minutos habrán pasado 100 x 15 = 1.500 galones.

Al contrario dividiendo el número total de galones entre el tiempo, se obtiene el régimen de flujo. En el ejemplo anterior 1.500/15 = 100 gal/min.

Unidades para medir cantidad de fluido. La cantidad de cierto líquido, gas o vapor se puede medir en unidades de masa, y el régimen de flujo en unidades de masa por unidad de tiempo, por ejemplo, en libras por hora. De hecho, en la práctica se utilizan dichas unidades, especialmente cuando se trata de vapor de agua.

Pero con mucha frecuencia se mide la cantidad de un fluido en unidades de volumen y el régimen de flujo en unidades de volumen por unidad de tiempo, por ejemplo, galones por minuto, barriles por día, pies cúbicos por hora. Generalmente la cantidad de agua se mide en galones a 60 °F, la de otros líquidos manejados en la industria del petróleo, en barriles a 60 °F; la cantidad de gas en pies cúbicos a 60 °F y 14.7 lb/plg.

Medidores especiales. El medidor de flujo doble consta de dos manómetros que se montan en la parte posterior de un instrumento sencillo, siendo posible para ambos registrar sobre la misma grafica. Este montaje es a veces muy útil para mantener condiciones de equilibrio entre dos caudales.

El medidor de flujo de doble rango. Consiste en un captador de caudal conectado a dos tubos de rango, como se muestra en la figura 2.2.1.(a) que representa la versión de las Taylor Instruments Company. Su propósito es contrarrestar la poca sensibilidad que presenta un captador de presión diferencial, en la parte baja de la escala de caudal. Para ello se disponen sobre el mismo captador dos cámaras de rango o escala; la primera actúa entre 0 y el 25 % del caudal y la otra lo hace entre el 25 % y el 100 %.

Figura 2.2.1.(a) Vista posterior de un medidor de doble rango.

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En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales y en las efectuadas en laboratorio y en plantas piloto es muy importante la medición de los caudales de líquidos o de gases. Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo de caudal volumétrico o másico deseado. Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido, bien sea directamente, bien indirectamente por deducción. La medida de flujo volumétrico en la industria se efectúa principalmente con elementos que dan lugar a una presión diferencial al paso del fluido. Entre estos elementos se encuentran la placa de orificio o diafragma, la tobera y el tubo Venturi. En la selección de la presión diferencial que el elemento de medida (diafragma, tobera, tubo Venturi) producirá para el caudal máximo del fluido fijado en el cálculo se presentan dos factores importantes a considerar, la presión de la línea y la pérdida de carga máxima del elemento. Ambos factores influyen en el costo de funcionamiento de la instalación, es decir, en el costo necesario para que el fluido pase a través del elemento. Asimismo, la conveniencia de lograr una exactitud casi constante en todo el campo de medida de la presión diferencial es otro compromiso a satisfacer. Depende de la relación de diámetros y de la situación del elemento en la tubería conjuntamente con los tramos rectos y accesorios que se encuentren aguas arriba y aguas abajo del elemento. La instalación de los elementos de presión diferencial requiere que se respeten unas distancias de tramos rectos de la tubería, antes y después del elemento. Por otro lado, los elementos de presión diferencial absorben una pérdida de carga que depende de la relación de diámetros d/D y que es una fracción de la presión diferencial que el elemento crea.

Medidores mecánicos Los captadores hasta ahora descritos transmiten el desplazamiento del flotador o la inclinación de la balanza tórica, por medio de juegos de palancas, levas, u otro dispositivo mecánico, a un eje que gira arrastrando la pluma del registrador. Este eje ha de salir al exterior atravesando la pared de la cámara del flotador, que esta bajo presión. Esto se consigue por medio de una chumacera o cojinete estanco que, para no falsear la medida ha de producir el mínimo rozamiento posible sobre el eje.

Medidores eléctricos Se utilizan frecuentemente sistemas de medida de caudal con transmisión eléctrica, cuando el instrumento de medida o registro se localiza lejos del elemento primario. Para ello se dispone de varios métodos.

El método de conductividad es utilizado por la Republic Flow Meters Company. Se utiliza la elevación del nivel del mercurio en la rama de baja presión de un tubo U para variar la resistencia de un circuito eléctrico ( ver figura 2.2.1(b).)

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La corriente eléctrica que fluye por este circuito será, por tanto, función de la presión diferencial aplicada al cuerpo medidor y en consecuencia función de la velocidad del fluido que atraviesa el elemento primario.

Figura 2.2.1.(b) Esquema del método de conductividad.

Medidores de flujo de tipo reten Los captadores de caudal de este tipo utilizan un reten en lugar de la placa con orificio u otra restitución del flujo. Miden la fuerza con que la corriente fluida choca contra una superficie interpuesta en su camino, como se muestra en la figura 2.2.1.(c), para un captador fabricado por la Foxboro Company.

El reten, de forma circular y bordes afilados, apropiado para el margen de caudal a medir, se fija al extremo bajo de la barra de fuerza y queda exactamente centrado con la tubería.

El empuje que el fluido ejerce sobre el reten tiende por medio de la barra de fuerza, a variar la distancia entre la tapa o paleta y la tobera, lo que provoca la variación de la presión de aire en el relevador, en los fuelles de retroalimentación y en la salida de señal hacia el receptor.

Figura 2.2.1.(c) Medidor de reten (cortesía de Foxboro Co.).

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Medidores de caudal de vertedero Cuando el fluido se mueve en canales abiertos, se utilizan otros medios de medición. Generalmente se requiere algún tipo de vertedero o angostura, que proporcionan restricciones al paso del fluido. En la figura 2.2.1.(d) se muestra un vertedero de compuerta cortada en V, que puede utilizarse hasta caudales de 6000 galones por minuto; la abertura rectangular de lazos se recomienda para caudales mayores. Cuando las pérdidas de altura deben ser mínimas o si el líquido medio contiene considerables cantidades de sólidos, sedimentos, etc., se prefiere una angostura. Una de las formas que más se utiliza es la angostura Parshall que se muestra en la figura 2.2.1.(e).

Figura 2.2.1.(d) Instalación de angostura Parshall.

Figura 2.2.1.(e) Vertedero cortado en V. El corte rectangular se muestra con líneas punteadas.

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Medidores de flujo de desplazamiento positivo Los medidores de desplazamiento positivo son esencialmente instrumentos de cantidad de flujo. Se utilizan frecuentemente para medida de líquidos en procesos discontinuos. Para procesos continuos se prefieren los instrumentos de caudal.

El instrumento de desplazamiento positivo, toma una cantidad o porción definida del flujo, y la conduce a través de un medidor, luego produce con la siguiente torsión y así sucesivamente. Contando las porciones pasadas por el medidor se obtiene la cantidad total pasada por este. La exactitud de los medidores de desplazamiento positivo es alta, generalmente entre 0,1 y 1 %.

Medidores de corrientes de fluido Estos medidores tienen una hélice u otro elemento giratorio, que es accionado por la corriente de fluido y transmite su movimiento, por engranajes, al contador. Miden la velocidad del fluido y la corriente en medidas de flujo. La figura 3-6 muestra el medidor sparling accionado magnéticamente: fabricado por Hersey-Sparling Meter Co., y del que se dispone de modelos para medidas de flujo en tuberías desde 12,25 hasta 61 cm.

También se dispone de otros tipos de medidores para tuberías hasta 183 cm. Una de las ventajas de estos aparatos es la pequeña caída de presión que provocan; por ejemplo, en líneas de tubería de 20,3 cm o más, la perdida es generalmente menor que 7,6 cm de columna de agua, a velocidades normales.

Generalmente el propulsor ocupa aproximadamente ocho décimas partes del diámetro de la tubería y se disponen de estas paletas rectas con el fin de reducir la tubería y asegurar un flujo suave a través del propulsor.

Medidores de flujo ultrasónicos El medidor de flujo que fabrica la Gulton Industries, responde a la deflexión de las ondas ultrasónicas transmitidas a través de una corriente fluida. Un transmisor que genera sonido ultrasónico, se monta en el exterior de una tubería colocando a distancias determinadas, aguas arriba y abajo, sendos receptores de ultrasonidos opuestos al emisor. En condiciones de no-flujo, ambos receptores reciben igual cantidad de energía ultrasónica y generan tensiones iguales.

En condiciones de flujo (en cualquier sentido) las ondas ultrasónicas se deflectan y como resultado los receptores generan voltajes distintos. Comparando ambos voltajes, se tiene indicación del sentido y la magnitud del flujo.

Medidores de masa de flujo Los medidores de masa de flujo diferentes de los demás en que miden directamente el peso del flujo y no su volumen. El medidor de masa de flujo de la General Eléctrica mide flujos gaseosos o líquidos, por ejemplo, expresándolos directamente en libras y, por tanto no le afectan las variaciones de presión, temperatura ni densidad del fluido.

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La unidad completa incluye cuatro componentes básicos: el elemento sensible a la velocidad del flujo, el mecanismo del giroscopio integrador, el registrador ciclométrico y el accionador de contactos.

2.2.2 Medidores tipo turbina: Los medidores de turbina consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal ver figura 2.2.2 . La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor; la diferencia de presiones debida al cambio de área entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. De este modo el rotor está equilibrado hidrodinámicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales evitando así un rozamiento que necesariamente se produciría. Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina. En el de reluctancia la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del campo magnético creado por un imán permanente montado en una bobina captadora exterior. El paso de cada pala varía la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el flujo induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que, por lo tanto es proporcional al giro de la turbina. En el tipo inductivo el rotor lleva incorporado un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina induce una corriente alterna en la bobina captadora exterior. En ambos casos, la frecuencia que genera el rotor de turbina es proporcional al caudal siendo del orden de 250 a 1200 ciclos por segundo para el caudal máximo.

Figura 2.2.2 Medidor de tipo turbina

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2.2.3 Placa calorífica: La placa de orificio o diafragma consiste en una placa perforada instalada en la tubería. Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa, captan esta presión diferencial la cual es proporcional al cuadrado del caudal. A continuación se explican los diferentes tipos de tomas: Tomas en la brida, es bastante utilizada porque su instalación es cómoda ya que las tomas están taladradas en las bridas que soportan la placa y situadas a 1" de distancia de la misma. Tomas en la vena contraída, la toma posterior está situada en un punto donde la vena alcanza su diámetro más pequeño, lo cual depende de la razón de diámetros y se presenta aproximadamente a ½” sección transversal (Æ) de la tubería. La toma anterior se sitúa a 1 sección transversal (Æ) de la tubería. Tomas radiales, son parecidas a las tomas de vena contraída, pero fijando siempre las tomas anterior y posterior a 1 y ½ “ sección transversal (Æ) de la tubería, respectivamente. Tomas en la cámara anular, las tomas están situadas inmediatamente antes y después del diafragma y requieren el empleo de una cámara anular especial. Se emplean mucho en Europa. Tomas en la tubería, la toma anterior y posterior están situadas a 2 ½” y 8” sección transversal (Æ), respectivamente. Se emplean cuando se desea aumentar el intervalo de medida de un medidor de caudal dado. La situación de las tomas está en un lugar menos sensible a la medida. El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmental, con un pequeño orificio de purga para los pequeños arrastres sólidos o gaseosos que pueda llevar el fluido. Los dos últimos diafragmas están representados en la siguiente figura 2.2.3, permiten medir caudales de fluidos que contengan una cantidad pequeña de sólidos y de gases. La precisión obtenida con la placa es del orden de + 1 a + 2 %.

Figura 2.2.3 Medidor de placa

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2.2.4 Medidor magnético: La ley de Faraday establece que la tensión inducida a través de cualquier conductor, al moverse éste perpendicularmente a través de un campo magn6tico, es proporcional a la velocidad del conductor. La regla de la mano derecha nos indica que colocando la mano derecha abierta, con la palma perpendicular a las líneas de fuerza del campo magnético, y los dedos en el sentido de la corriente del fluido, el pulgar señala el sentido de la corriente inducida ver figura 2.2.4

Figura 2.2.4 Elementos de un medidor electromagnético.

Faraday intentó aplicar esta teoría en la medición de la velocidad del río Tionesis en 1832. Suponía que el agua del río circulaba perpendicularmente al campo magnético de la Tierra y que el agua es un conductor relativamente bueno. Sumergió una probeta en el agua y esperaba obtener una señal que variara directamente con la velocidad. No tuvo éxito debido a que no disponía de indicadores sensibles y a que el campo magnético de la Tierra es bajo. No obstante, su teoría fue aceptada. Los holandeses fueron los primeros en el mundo que adaptaron este principio. En 1950 practicaron el bombeo de grandes cantidades de agua de una zona a otra en las tierras bajas de Holanda. Era importante tener una indicación del caudal para supervisar los caudales manejados. En 1950, cuando se desarrollaron ampliamente las técnicas más avanzadas de corriente alterna, se diseñaron amplificadores más confiables y económicos y sólo entonces el medidor magnético de caudal pasó a utilizarse en una gran variedad de aplicaciones industriales. La fórmula del caudal que da la ley de Faraday es la siguiente: Es = K B I v Es = tensión generada en el conductor; K = constante; B = densidad del campo magnético; l = longitud del conductor; v = velocidad del movimiento.

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En el medidor magnético de caudal el conductor es el líquido y Es es la señal generada, esta señal es captada por dos electrodos rasantes con la superficie interior del tubo y diametralmente opuestos. Realmente la única zona del líquido en movimiento que contribuye a la f.e.m. es la que une en línea recta a los dos electrodos, B es la densidad del campo magnético creado por medio de la bobina de campo, l es el diámetro de la tubería y v es la velocidad del fluido a través del medidor. La señal de voltaje del medidor se compara en el receptor con otra tensión denominada “tensión de referencia Er”. Como las dos señales derivan a la vez del campo magnético B, la tensión de la línea y las variaciones de temperatura y de conductividad no influyen en la precisión de la medida. La señal de referencia Er se toma de un arrollamiento colocado en los bobinados del campo que genera el flujo magnético. El valor de Er se escoge de tal forma que la relación Es/Er se hace constante en todos los medidores de caudal. De este modo se logra su intercambiabilidad con cualquier receptor. El valor de Er, transmitido al receptor, puede establecerse con completa exactitud, gracias a un potenciómetro colocado normalmente en el medidor y fijado en fábrica para el valor máximo del caudal. Las medidas de caudales en ambos sentidos, de paso del fluido, pueden efectuarse de dos formas: a) Con un interruptor que invierta las conexiones de la señal del receptor, la posición del interruptor indica el sentido del caudal, y la calibración del sistema permanece invariable en cualquier sentido. b) Elevando el cero del instrumento al 50 % de la escala, en cuyo caso, el índice indica automáticamente el sentido del caudal del líquido, al estar en la zona superior o inferior de la escala. La calibración del sistema permanece invariable y la indicación es de -50 -0- +50 % de la escala en lugar de 0-100 por 100. La conductividad del fluido es la única característica propia del líquido que puede limitar el empleo del medidor magnético de caudal. El sistema electrónico utilizado en el elemento y en el receptor permite medir caudales de líquidos que tengan una conductividad superior a 3 micromhos/cm. No obstante, en casos especiales puede trabajarse con valores menores, añadiendo al circuito de medida un preamplificador adicional (acondicionador de señal), alcanzándose una conductividad mínima de 0.3 micromhos/cm. Algunos fabricantes excitan la bobina del campo magnético a baja frecuencia en lugar de utilizar la frecuencia de línea (50 Hz). Se obtiene así un aumento en la precisión y en la estabilidad del cero del medidor. Otros fabricantes alimentan la bobina del campo magnético con dos ondas superpuestas, una de baja frecuencia que proporciona una excelente estabilidad del cero, y otra de alta frecuencia que es inmune al ruido de baja frecuencia generado por reacciones electroquímicas y líquidos de alta viscosidad y/o baja conductividad.

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Tal como se ha indicado, la medida no es afectada por las variaciones de conductividad, sin embargo, la necesidad de obtener la precisión adecuada en la medida, limita la longitud del cable entre el elemento y el receptor. La conductividad eléctrica en los gases es generalmente mucho más baja. Por este motivo, el medidor magnético no puede emplearse para la medida de caudales de gases. En planta existen muchas fuentes de señales de ruido que pueden perturbar el funcionamiento de los medidores magnéticos de caudal. Por ejemplo, un motor eléctrico de gran potencia colocado en las inmediaciones del elemento genera un campo magnético que puede superponerse al flujo propio del medidor. Este tipo de ruido queda eliminado gracias al sistema de tensión de referencia Er. Asimismo, los restantes motores y las líneas eléctricas de potencia pueden generar corrientes y tensiones eléctricas en las tuberías de la planta, siendo estas señales captadas por el medidor en forma de señales de tensión. Al objeto de reducir la influencia de estas señales de ruido se conectan eléctricamente en by-pass las bridas de conexión del medidor y se ponen a masa. Sin embargo, la práctica ha demostrado que esta medida es insuficiente y muchos fabricantes han dispuesto sistemas en el receptor para eliminar dichas señales de ruido. Es obvio que, siendo el ruido dependiente en gran parte de la situación del medidor, y de la utilización continua o intermitente del equipo parásito, el sistema de compensación debe ser corregido una vez variadas las condiciones. Sin embargo, existe un sistema que evita dichas correcciones: consiste en introducir en el medidor un tercer electrodo y conectarlo a masa. De este modo, la unidad de medida está puesta a tierra con relación a dichas señales de ruido y es completamente insensible a las mismas sin que sea necesario hacer ajustes de posición en la instalación. En la sección de medida se generan corrientes parásitas en el líquido, debido al campo magnético de corriente alterna. Estas Corrientes, a su vez, generan un campo magnético y una tensión. Este campo magnético se opone al principal generado en los bobinados de campo y por lo tanto hace variar la densidad del flujo. La compensación de esta variación de flujo la llevan a cabo automáticamente los bobinados de referencia. Por otro lado, la tensión generada aparece como una señal en los electrodos y es por lo tanto captada por el receptor. Su magnitud depende de la densidad del flujo magnético y de la conductividad del fluido, y está desfasada con la relación a la señal de velocidad del líquido. Como este desfase perturba el trabajo del sistema, es esencial anular esta señal. Algunos fabricantes compensan este fenómeno de desfase empleando en los electrodos cables de conexión rígidos y con curvatura especial o bien compensándolo en el receptor. El primer método es difícil y la posición de los cables es extremadamente crítica.

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Por otro lado, la compensación en el receptor cambia completamente la intercambiabilidad entre los elementos primarios y el receptor, ya que la magnitud de esta señal desfasada es distinta para cada medidor, por consiguiente si se sustituye el medidor de caudal es necesario el reajuste del receptor. Otros fabricantes emplean un arrollamiento cerrado con un potenciómetro de equilibrio en cada electrodo. Los bucles formados están situados en el campo magnético del instrumento, y, en la misma forma que un transformador, generan una tensión que está desfasada 90o con relación a la señal de velocidad del fluido. En el potenciómetro se toma una parte de esta tensión para compensar la señal de ruido desfasada. A continuación se muestra la figura 2.2.4. (a) un Medidor magnético de flujo:

Figura 2.2.4(a) Medidor magnético de flujo.

En la siguiente figura 2.2.4 (b) y (c) se muestra respectivamente, el rango de temperatura del medidor magnético de flujo, así como otros modelos de medidores de flujo.

Fig.2.2.4.(b) Rango de temperatura.

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Figura 2.2.4. (c) Otros tipos de medidores magnéticos. 2.2.5 Turbina Vénturi: El tubo Venturi permite la medición de caudales 60 % superiores a los de la placa orificio en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de sólo 10 a 20 % de la presión diferencial. Posee una gran precisión y permite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de sólidos, si bien, los sólidos abrasivos influyen en su forma afectando la exactitud de la medida. El costo del tubo Venturi es elevado, del orden de 20 veces el de un diafragma y su precisión es del orden de + 075 %. Para el cálculo de los diafragmas, toberas y tubos Venturi se utilizan normas variadas, entre las cuales se encuentran las siguientes: - ISO 5167-1980 Medida del flujo de fluidos por medio de placas de orificio, toberas o tubos Venturi, insertados en conductos de sección circular. - International Organization for Standarization, Ginebra, Suiza. - Norma ASME 19.5 - Flowmeter Computation Handbook. - American Society for Mechanical Engineers, New York, 1971 - Norma A.P.I. 2530 - Septiembre 1985 Para gas natural. - Principle and Practice of Flow Meter Engineering L. K. Spink (1978) - Normas AGA-3 y AGA-7 - Gas Measurement Committe Report - American Gas Association, Cleveland, Ohio En estas normas se indican las pérdidas de carga de los elementos y las condiciones de instalación en tramos rectos de las tuberías con distancias mínimas a codos, curvas, válvulas, ver figura 2.2.5.(a),(b), (c).

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Cuando estas condiciones de distancia son críticas, se utilizan dispositivos llamados enderezadores de venas que dan un régimen laminar del fluido y permiten reducir el espacio recto necesario.

Figura 2.2.5. (a) Combinación Ventura - tobera

Figura 2.2.5 (b) Tubo Venturi.

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Dibujo físico de la Tubo Venturi (fig 2.2.5 (c ) )

a

Figura 2.2.5 ( c ) Tubo venturi.

2.2.6 Tubo Anubar: El tubo Annubar es una innovación del tubo Pitot y consta de dos tubos, el de presión total y el de presión estática. El tubo que mide la presión total está situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería y consta de varios orificios de posición crítica determinada por computadora, que cubren cada uno la presión total en un anillo de área transversal de la tubería. Estos anillos tienen áreas iguales. En tuberías de tamaño mayor que 1" se dispone en el interior del tubo otro que promedia las presiones obtenidas en los orificios. El tubo que mide la presión estática se encuentra detrás del de presi6n total con su orificio en el centro de la tubería y aguas abajo de la misma. El tubo Annubar es de mayor precisión que el tubo Pitot, del orden de 1-3 %, tiene una baja pérdida de carga y se emplea para la medida de pequeños o grandes caudales de líquidos y de gases. Diagrama físico del tubo anubar como se identifica en la figura siguiente 2.2.6.

Figura 2.2.6. Pieza física del tubo anubar

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2.2.7 Medición de flujo en canales abiertos: En la medición del caudal en canales abiertas, se utilizan vertederos de formas variadas que provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto más bajo. El vertedero debe formar un ángulo recto con la dirección del caudal y el canal aguas arriba debe ser recto como mínimo en una distancia de 10 veces la anchura. La diferencia de alturas debe medirse en un punto aguas arriba lo suficientemente alejado como para no ser influido por la curva de bajada de la superficie del agua y es conveniente incluso utilizar un pozo de protección (tubería de sección transversal (Æ) ligeramente mayor que el flotador) para el flotador del instrumento de medida, en caso de utilizar este sistema. El caudal es proporcional a la diferencia de alturas según la fórmula general empírica: Q = KlHn Q = caudal en m3/s; K = constante que depende del tipo de vertedero; l = anchura de la garganta del vertedero en m; H = diferencia máxima de alturas en m; n = exponente que depende del tipo de vertedero o canal. Los vertederos más empleados son de los siguientes tipos: * Rectangular con contracción lateral, simple y fácil de construir y el más económico. Es apto para la medida de caudales de 0-60 m 3/h a 0-2000 m3/h. La formula de medida de caudales que suele usarse es la de Francis: Q = 1.84 (l-0.2 H) H3/2 m3/s Siendo l la anchura del rectángulo en m. El valor de 0.2 H viene sustituido por 0.1 H si no hay contracción del manto vertido, es decir, si l = anchura del canal. * Triangular o en V, que consiste en una placa con un corte en V de vértice dirigido hacia abajo y con cada lado igualmente inclinado respecto a la vertical. A igualdad de tamaño, su campo de medida es más amplio que el de los otros vertederos. Es capaz de medir caudales dentro del intervalo 0-30 m3/h a 0-2300 m3/h. La fórmula empírica aplicable es: Q = 1.33 H2.475 m3/s para un vertedero en V de 900 * El vertedero Parshall o Venturi se emplea normalmente en aquellas aplicaciones en las que un vertedero normal no es siempre adecuado tal como ocurre cuando el líquido transporta sólidos o sedimentos en cantidad excesiva, o bien cuando no existe altura de presión suficiente, o bien cuando no es posible construir un tramo recto de longitud suficiente (un mínimo de 10 veces la anchura del canal). Puede utilizarse para caudales superiores a 0-30 m3/h. El vertedero Parshall es de forma parecida al tubo Venturi. Consiste en paredes verticales y con el suelo inclinado en la estrangulación. La descarga del fluido puede presentarse de dos formas: caudal libre cuando la elevación del agua después de la estrangulación es lo suficientemente baja como para impedir que el agua que se descarga retorne hacia atrás y no siga suavemente el perfil del elemento Parshall; caudal sumergido cuando el agua está a demasiada altura después de la estrangulación y vuelve hacia atrás.

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La condición de caudal libre se tiene cuando la relación de las alturas de cresta en la parte plana y en la parte final del elemento referidas al nivel plano Hu/Hd es menor de 0.6 para un elemento de garganta hasta 230 mm y menor de 0.7 para anchuras de garganta mayores de 300 mm. Relaciones mayores dan lugar a caudales del tipo sumergido en el cual el caudal es una función de Hu.y Hd, mientras que en la condición de caudal libre el flujo es únicamente función de Hu. Se suele mantener generalmente esta condición. La ecuación general empírica del vertedero Parshall es: Q = KlHn Un instrumento de flotador figura 2.2.7, o burbujeo, mide las diferencias de alturas dadas y puede indicar, regular y registrar directamente el caudal o bien transmitirlo a distancia con un transmisor del tipo potenciométrico o neumático de equilibrio de movimientos, o digital. medidor de flujo de canales abiertos.

Características

• Versátil – Mide agua, aguas cloacales y lechadas • Sumergible hasta 30 metros, a prueba a gas • Seguridad aumentada de personal para los lugares peligrosos como

cloacales, fosas de bomba y lagunas cubiertas • Configuración y calibración remota • Conveniente para la mejoría de los flumes y vertederos. También

linealizaciones especiales para las tablas de los usarios • Clasificación segura intrínsicamente aumenta la seguridad y reduce los

costos de instalación y operación Aplicación

Los modelos 872FM y 671FM son depositivos de la detección de nivel ultrasónicos que se usan para transmitir el caudal de un líquido en un canal abierto. La unidad se pone sobre la superficie de un líquido que es aguas arriba de un vertedero o flume de medición. Un serie los ondas de sonido de la frecuencia

Figura 2. 2.7 Medidor de flujo de canales abiertos

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alta se generan durante la porción del ciclo “mandar”. Las ondas de sonido viajan a través del espacio de aire entre la cara del sensor y la superficie del líquido. Las ondas de sonido golpean la superficie del líquido, se reflejan, viajan tras al sensor, y ellas están detectados durante la porción del ciclo “recibir”. El tiempo que transcurre entre el “mandar” y el “recibir” se mide y está correctado para las variaciones en la velocidad de sonido deben a las variaciones de la temperatura ambiental, y está usado por el instrumento para calcular el nivel de la cresta. El instrumento entonces genera una señal 4-20 mA que está proporcional al caudal.

Especificaciones

• Rango de Medición: 30 hasta 250 cm • Ángulo de raz: ±6º al límite de bajo 3 dB • Salida: Análoga 4-20 mA y RS-485 (671FM) • Compensación de Temperatura Integra: Sí • Exactitud: Mejor que 0.25% del rango máximo • Suministro: 11-30 V CC • Temperatura Ambiental: -40ºC hasta +60ºC • Caja: NEMA 4X a prueba a intemperie y NEMA 6 sumergible • Alambrado: Cable fuerte con un funda dura de goma. 3 metros es

básico. Las longitudes más largas son opcional • Calibración: Teclado integro o la comunicación bidireccional de RS-485

remota • Conexión de Montaje: NPT, brida o tubo • Materiales: PVC y acero inoxidable 300 • Elementos de Flujo Tipicos: Flumes de Parshall y Parmer-Bowlus,

Vertederos rectangular, v-notch y Cipolletti

2.3.- MEDICIÓN DE TEMPERATURA: 2.3.1 Teoría básica: La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida quedan definidas en cada tipo de aplicación por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesarios; es importante señalar que es esencial una comprensión clara de los distintos métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una selección óptima del sistema más adecuado. Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran: a) Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases). b) Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia); c) Variación de resistencia de un semiconductor (termistores); d) f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares);

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e) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación); f) otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.). A continuación se muestran un medidor de temperatura comercial Figura 2.3.1: medidor de temperatura sin contacto por incluir puntero láser in01879.

Figura 2.3.1 Medidor de temperatura sensor de láser

Medidor económico de temperatura por infrarrojo con puntero láser. Características: . Económico . Fácil de usar, simplemente presionando un botón se obtiene el valor medido. Especificaciones:

• Rango -20°C a 320°C • Resolución 1°C • Emisividad ajustada en 0.95 • Alimentación Batería de 9V

2.3.2 Termopar: El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura. A continuación se muestra el diagrama de funcionamiento del termopar (figura 2.3.2.(a):

Fig. 2.3.2(a) Diagrama representativo del termopar

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Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thomson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal en el que existe un gradiente de temperatura. La combinación de los dos efectos, de Peltier y de Thomson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares ha permitido establecer tres leyes fundamentales: 1. Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. 2. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro punto B, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo A y B. 3. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3. Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0ºC. La selección de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una resistencia adecuada a la corrosión, a la oxidación, a la reducción y a la cristalización, que desarrollen una f.e.m. relativamente alta, que sean estables, de bajo costo y de baja resistencia eléctrica y que la relación entre la temperatura y la f.e.m. sea tal que el aumento de ésta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura. Funcionamiento En 1822 el físico estoniano Thomas Seebeck descubrió accidentalmente que la unión entre dos metales genera un voltaje que es función de la temperatura. Los termopares funcionan bajo este principio, el llamado efecto Seebeck. Si bien casi cualquier par de metales pueden ser usados para crear un termopar, se usa un cierto número debido a que producen voltajes predecibles y amplios gradientes de temperatura.

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El diagrama inferior muestra un termopar del tipo K, que es el más popular figura 2.3.2(b)

Figura 2.3.2 (b) Termo par tipo K

En el diagrama de arriba, este termopar de tipo K producirá 12,2mV a 300ºC. Desafortunadamente no es posible conectar un voltímetro al termopar para medir este voltaje porque la conexión a las guías del voltímetro hará una segunda unión no deseada. Para realizar mediciones precisas se debe compensar al usar una técnica conocida como compensación de unión fría (CUF). La ley de los metales intermedios dice que un tercer metal introducido entre dos metales distintos de una unión de termopar no tendrá efecto siempre y cuando las dos uniones estén a la misma temperatura. Esta ley es importante en la construcción de uniones de termopares. Es posible hacer una unión termopar al estañar dos metales, ya que la estañadura no afectará la sensibilidad. En la práctica, las uniones termopares se realizan con soldaduras de los dos metales (por lo general con una carga capacitiva) ya que esto asegura que el desempeño no esté limitado al punto de fusión de una estañadura. Por lo general, la temperatura de la unión fría es detectada por un termistor de precisión en buen contacto con los conectores de salida del instrumento de medición. Esta segunda lectura de temperatura, junto con la lectura del termopar es usada por el instrumento de medición para calcular la temperatura verdadera en el extremo del termopar. Para aplicaciones menos críticas, la CUF es usada por un sensor de temperatura semiconductor. Al combinar la señal de este semiconductor con la señal del termopar, la lectura correcta puede ser obtenida sin la necesidad o

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esfuerzo de registrar dos temperaturas. La comprensión de la compensación de unión fría es importante; cualquier error en la medición de la temperatura de la unión fría terminará en el error de la temperatura medida en el extremo del termopar. Linealización: Además de lidiar con la CUF, el instrumento de medición debe además enfrentar el hecho de que la energía generada por un termopar es una función no lineal de la temperatura. Esta dependencia se puede aproximar por un polinomio complejo (de 5º a 9º orden dependiendo del tipo de termopar). Los métodos análogos de linealización son usados en medidores termopares de bajo costo. Modalidades de termopares: Los termopares están disponibles en diferentes modalidades, como sondas. Estas últimas son ideales para variadas aplicaciones de medición, por ejemplo, en la investigación médica, sensores de temperatura para los alimentos, en la industria y en otras ramas de la ciencia, etc. A la hora de seleccionar una sonda de este tipo debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos tipos son el modelo estándar, con pines redondos y el modelo miniatura, con pines chatos, siendo estos últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros) los más populares. Otro punto importante en la selección es el tipo de termopar, el aislamiento y la construcción de la sonda. Todos estos factores tienen un efecto en el rango de temperatura a medir, precisión y confiabilidad en las lecturas. Tipos de termopares: 1.- Termopar tipo E de cromel-constantán puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la fe.m. Más alta por variación de temperatura, y puede usarse para las temperaturas entre - 200 a +900oC. 2.- Termopar tipo T de cobre-constantán, tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras. Se prefiere generalmente para las medidas de temperatura entre - 200 a +260oC. 3.- Termopar tipo J de hierro-constantán, es adecuado en atmósferas con escaso oxígeno libre. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550oC, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura límite de 750oC. 4.- Termopar tipo K de cromel-alumel se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 y 1250ºC. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que esté protegido con un tubo de protección.

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5.- Termopares tipo R, S y E de Pt-Pt/Rh se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo hasta 1500oC figura 2.3.2 (c), Si la atmósfera es reductora, el termopar debe protegerse con un tubo cerámico estanco.

Figura 2.3.2 ( c ) Característica de respuestas de termopar. El material del tubo de protección o vaina debe ser el adecuado para el proceso donde se aplica y suele ser de hierro, acero sin soldadura, acero inoxidable, inconel, cerámico, carburo de silicio, etc. Cuando el termopar está instalado a una distancia larga del instrumento, no se conecta directamente al mismo, sino por medio de un cable de extensión. Los cables de extensión son conductores con propiedades eléctricas similares a las del termopar hasta ciertos límites de temperatura (0-200oC) y son más económicos. Se suelen utilizar los siguientes:

Conductores tipo J para termopares tipo J Conductores tipo K o tipo T para termopares tipo K Conductores tipo T para termopares tipo T Conductores tipo E para termopares tipo E Conductores cobre-cobre níquel para termopares tipo R, S

o B. Las conexiones entre el cable de compensación, el termopar y el instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable de compensación, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la instalación debe evitar el paso próximo por fuentes de calor (aparece el efecto Thomson). Si estas recomendaciones no se cumplen aparecen tensiones térmicas de corriente continua que dan lugar a un desplazamiento en la calibración del

Termopador desnudo

En vaina de vidrio

En vaina de hierro

En vaina deporcelana

%V

aria

cion

tota

l de

tem

pera

tura

100

80

60

40

20

00 0,4 3,60,8 1,2 3,21,6 2,0 2,4 2,8

Tiempo,minutos

a) En Aire

%V

aria

cion

tota

l de

tem

pera

tura

10090807060

01020

30

5040

925¯C

650 C425 C

260 C tremperatura final

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

100

80

60

40

20

0

Tiempo,minutosc) En un horno

%V

aria

cion

tota

l de

tem

pera

tura

Respuesta de un termopar

Termopar soldado a tope

Termopar con union a torsion

0 51 2 3 4

b) En Liquido

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instrumento. Para medir la f.e.m. del termopar pueden emplearse el circuito galvanométrico y el circuito potenciométrico como se muestra en la figura 2. 3. 2.1. o digital como se muestra en la figura 2.3.2.2

Figura 2.3.2.2 Termopar Digital

2.3.3 RTD: La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica.

Pêrdida de calora travês del cabezal.

Longitud de inmersióndemasiado corta.

METODO INADECUADO

Aislamientode cabezal.

Longitud de inmersióncorrecta

METODO CORRECTO

Instalación de una vaina o tubo de protección. Figura 2.3.2.1 Termo par utilizado como galvano-potencio (métrico)

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El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia” que expresa a una temperatura especificada, variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura. La relación entre estos factores puede verse en la expresión lineal siguiente: Rt = Ro (1 + at) En la que: Ro = resistencia en ohmios a 0ºC Rt = resistencia en ohmios a tºC a = coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0o y 100oC es de 0.003850 W*W-1*oC-1 en la Escala Práctica de Temperaturas Internacional (IPTS-68). - Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características: 1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible. 2. Alta resistividad ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad). 3. Relación lineal resistencia-temperatura. 4. Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta). 5. Estabilidad de las características durante la vida útil del material. Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. El platino es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su costo. En general la sonda de resistencia de platino utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 0ºC. El níquel es más barato que el platino y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado, sin embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad en su relación resistencia-temperatura y las variaciones que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados. El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad. Materiales usados normalmente en los RTDS. A) PLATINO Es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y estabilidad, pero presenta el inconveniente de su coste. En general la sonda de resistencia de Pt utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 0 ºC. Por esta razón, y por las ventajosas propiedades físicas del Pt fue elegido este termómetro como patrón para la determinación de temperaturas entre los puntos fijos desde el punto del Oxigeno (-183 ºC) hasta el punto de Sb (630'5). Con un termómetro de este tipo convenientemente graduado, se pueden hacer medidas con una exactitud de 0'01 ºC y cambios de temperatura de 0'001 ºC pueden medirse fácilmente.

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El valor elegido para Ro es de ordinario 25'5 ohmios aproximadamente; la resistividad del platino aumenta aproximadamente 0'39% de la resistividad a 0 ºC por grado de elevación de temperatura. A 100 ºC el valor de Rt será por consiguiente 35'5 ohmios, aumento de 0'1 ohmios por grado. Para medir hasta 0'01 con un error menor que 1% habría que medirse Rt con aproximación de 0'00001 ohmios. El elemento medidor puede ser un puente de Wheaston o un potenciómetro de precisión. El Platino se emplea mucho en los termómetros de resistencia industriales figura 2.3.3.1 representativa de la sonda termométrica, en escala de temperatura aproximadamente -50 ºC hasta 550 ºC. Los arrollamientos están protegidos contra desperfectos por tubos de metal y dispuestos de manera que permiten rápido intercambio de calor en el arrollamiento y el medio en que está colocado el tubo

Figura 2.3.3.1 Sonda termométrica de platino

B) NÍQUEL Mas barato que el Pt y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado, el interés de este material lo presenta su sensibilidad; hay una falta de linealidad en su relación R - T. Efectivamente en el intervalo de temperatura de 0 a 100 ºC, la resistencia de Níquel aumenta en un 62% mientras que el Pt solo aumenta en un 38%. Sin embargo los problemas relativos a su oxidación u otro tipo de deterioro químico, limitan su utilización e incluso ponen en peligro la reproducibilidad de sus medidas. Otro problema añadido es la variación que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados.

Figura 2.3.3.2 Resistencia de níquel. Los termómetros de resistencia de níquel se usan mucho, ver figura anterior 2.3.3.2. Su intervalo de valor de Ro es de 10 a 10000 ohmios; los valores superiores se usan para eliminar el error debido a la variación de resistencia de conductores y contactos; particularmente en los circuitos en los que solo se emplean dos conductores. En este caso el circuito medidor es un puente de

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Wheaston equilibrado para una temperatura particular del termómetro. Las variaciones de temperatura desequilibran el puente y la corriente de desequilibrio mide la temperatura. Así el termómetro puede hacerse de lectura directa en el cuadrante de una amperímetro. En instalaciones industriales de precisión en las cuales se consigue el equilibrio del puente por acción manual o por medio de un registrador automático equilibrado, se usan termómetros de tres conductores. C) COBRE El cobre tiene una variación de resistencia uniforme en el rango de temperatura cercano a la ambiente; es estable y barato ver tabla 2.3.3.3, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad, ya que hace que las variaciones relativas de resistencia sean menores que las de cualquier otro metal. Por otra parte sus características químicas lo hacen inutilizable por encima de los 180 ºC.

Metal Resistividad microhmios

. cm

Coeficiente temperatura

�� C

Intervalo útil de

temperatura, C

Diámetro mínimo de hilo

mm

Coste relativo

Resistencia sonda a 0 °C

ohmios

Precisión C

Platino 9.83 0.00392 - 200 a 950 0.05 Alto 25.100.130 0.01

Níquel 6.38 0.0063 a 0.0066 - 150 a 300 Medio 100 0.50

Cobre 1.56 0.00425 - 200 a 120 Bajo 10 0.10 Características de sondas de resistencia

Tabla 2.3.3.3 Valores de variación de resistencia de cobre por temperatura

D) TUNGSTENO Tiene una sensibilidad térmica suprior a la del platino, por encima de 100 ºC y se puede utilizar a temperaturas más altas, incluso con una linealidad superior. Asimismo se puede hacer hilo muy fino, de manera que se obtengan resistencias de valor elevado, pero como consecuencia de sus propiedades mecánicas su estabilidad es muy inferior a la del platino. Las técnicas actuales de fabricación de láminas delgadas por evaporación, serigrafía u otro procedimiento ligado a la microelectrónica permiten depositar en superficies muy pequeñas resistencias de los materiales indicados anteriormente. Las bobinas que llevan arrollado el hilo de resistencia están encapsuladas situadas dentro de un tubo de protección o vaina de material adecuado al fluido del proceso. La variación de resistencia de las sondas es medida con un puente de Wheatstone dispuesto en montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda de resistencia al Puente. En el montaje de dos hilos la sonda de resistencia se conecta a uno de los brazos del Puente. Es el montaje más sencillo, pero presenta el inconveniente de que la resistencia de los hilos a y b de conexión de la sonda al puente varía cuando cambia la temperatura, y esta variación falsea por lo tanto la indicación; aunque estos hilos sean de baja resistencia y ésta sea conocida, las longitudes que puede haber en campo entre la sonda y el panel donde está el instrumento receptor, añaden una cierta resistencia al brazo de la sonda.

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El montaje de dos hilos se emplea, pues, con resistencias moderadas del hilo de conexión y cuando la lectura no necesita ser demasiado exacta. El montaje de tres hilos es el más utilizado en la práctica. En este circuito la sonda está conectada mediante tres hilos al puente. De este modo, la medida no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura, ya que ésta influye a la vez en dos brazos adyacentes del puente, siendo la única condición que la resistencia de los hilos a y b sea exactamente la misma. Hace un tiempo se utilizaba un instrumento de bobinas cruzadas en lugar de un galvanómetro y en montaje de tres hilos para eliminar las variaciones de resistencia de las líneas de conexión. El instrumento dispone de una resistencia de calibración que inicialmente equivale a la resistencia de medida. De este modo, por ambas bobinas pasa la misma corriente, compensándose sus efectos y permaneciendo estacionario el índice. Al elevarse la temperatura de la sonda crece su resistencia, desequilibrando el instrumento y señalando el índice un nuevo valor proporcional al aumento de temperatura de la sonda. El montaje de cuatro hilos se utiliza para obtener la mayor precisión posible en la medida, como es el caso de calibración de patrones de resistencia en laboratorio. Se basa en efectuar dos mediciones de la resistencia de la sonda combinando las conexiones de modo tal que la sonda pase de un brazo del puente al adyacente. De este modo se compensan las resistencias desiguales de los hilos de conexión y el valor de la resistencia equivale al promedio de los valores determinados en las dos mediciones. La medición automática de la resistencia y por lo tanto de la temperatura se lleva a cabo mediante instrumentos auto equilibrado que utilizan un circuito de puente de Wheatstone. La sonda de resistencia esta conectada al puente mediante un circuito de tres hilos. Si el puente esta desequilibrado la señal de error en forma de tensión continua que aparece es convertida a una tensión alterna y amplificada en tensión (CC) y potencia (DD), para excitar el motor de equilibrio. Este se mueve en la dirección adecuada para equilibrar el puente a través del brazo móvil del reóstato que al mismo tiempo acciona los mecanismos asociados de indicación, registro y control. Otros instrumentos utilizan un puente de capacidades con un condensador variable cuya posición esta calibrada en función de la temperatura, alimentándose el circuito con la tensión alterna estabilizada de un oscilador. Este instrumento funciona en forma análoga al circuito de puente de Wheatstone que, ante una señal de error el amplificador alimenta un motor de equilibrio que acciona el condensador variable. Otro instrumento es el indicador galvanométrico de puente de resistencias. Su ajuste se realiza colocando el interruptor en la posici6n STD para incluir una resistencia X en el circuito puente, y ajustando el reóstato RH hasta que el indicador señala la lectura más baja de la escala. Seguidamente se pasa el interruptor a la posición de conexión de la sonda pudiendo leerse directamente la temperatura.

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La adición de un microprocesador a la sonda de resistencia permite obtener, un transmisor inteligente con la posibilidad del cambio automático del sensor o del campo de medida, la obtención por hardware o software de puentes de Wheatstone o de capacidades de distintas características, etc. A continuación se muestran los RTDs según su tipo de construcción:

A continuación se muestra un RTD en la Figura 2.3.3(c) RTDs.

Figura 2.3.3(c) RTD núcleo devanado

Figura 2 3 3 4 (a) RTDs de bobina suspendida

Figura 2.3.3.4 (b) RTDs de película metálica

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Tipo de materiales para composición de RTDs ver tabla 2.3.3.5 de rangos de temperatura: • Platinum • Nickel • Copper • Balco (rare) • Tungsten (rare) Tabla 2.3.3.5 Rango de temperatura para los RTDs.

Temperature °C Ohms °C

-200 ±056 ±1.3

-100 ±0.32 ±0.8

0 ±0.12 ±0.3

100 ±0.30 ±0.8

200 ±0.48 ±1.3

300 ±0.64 ±1.8

400 ±0.79 ±2.3

500 ±0.93 ±2.8

600 ±1.06 ±3.3

650 ±1.13 ±3.6

700 ±1.17 ±3.8

800 ±1.28 ±4.3

850 ±1.34 ±4.6 2.3.4 Térmistor: Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas y extremadamente grandes para los cambios relativamente pequeños en la temperatura. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados. La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión:

Rt = Roeb (1/Tt – 1/To) En la que: Rt = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta Tt. Ro= resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia To. b = constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas.

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A continuación se muestra los termistores en la siguiente figura 2.3.4.1.

Figura 2.3.4.1 Represtación de Térmistor

Los termistores, o resistores térmicos, son dispositivos semiconductores que se comportan como resistencias con un coeficiente de temperatura de resistencia alto y, generalmente negativo. En algunos casos, la resistencia de un termistor a temperatura ambiente puede disminuir hasta un 6% por cada 1ºC que se eleve la temperatura. Dada esta alta sensibilidad al cambio de temperatura hacen al termistor muy conveniente para mediciones, control y compensar con precisión la temperatura. El uso de termistores está muy difundido en tales aplicaciones, en especial en el rango más bajo de temperatura de -100ºC a 300ºC. Los termistores se componen de una mezcla sintética de óxidos de metales, como manganeso, níquel, cobalto, cobre, hierro y uranio. Su rango de resistencia va de 0.5 ohms. A 75 ohms y están disponibles en una amplia gama de formas y tamaños. Los más pequeños son cuentas con un diámetro de 0.15 mm a 1.25 mm. Las cuentas se pueden colocar dentro de una barra de vidrio para formar sondas que son más fáciles desmontar que las cuentas. Se hacen disco y arandelas presionando el material termistor en condiciones de alta presión en formas cilíndrica y plana con diámetros de 2.5 mm a 25 mm. Las arandelas se pueden apilar y conectar en serie o paralelo con el fin de incrementar la disipación de potencia. Tres características importantes del termistor lo hacen extremadamente útil en aplicaciones de medición y control: a) Resistencia-temperatura b) Voltaje-corriente c) Corriente-tiempo

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Las características resistencia--temperatura de la figura muestra que un termistor tiene coeficiente de temperatura de resistencia muy elevado y negativo, lo cual lo convierte en un TRANSDUCTOR DE TEMPERATURA IDEAL. En la característica voltaje-corriente de la figura se observa que la caída de voltaje a través de un termistor aumenta con el incremento de corriente hasta que alcanza un valor pico, más allá del cual la caída de voltaje decrece con el incremento de corriente.

• El constantano es una aleación de 55% de cobre y 45% de níquel. • Cromel= Aleación de Cromo y Níquel • Alumel =Aleación de aluminio, manganeso y níquel.

Hay que señalar que para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente. Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Al tener un alto coeficiente de temperatura poseen una mayor sensibilidad que las sondas de resistencia estudiadas y permiten incluso intervalos de medida de 1oC (span). Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor variando de fracciones de segundo a minutos. La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable siempre que el elemento posea una alta resistencia comparada con la de los cables de unión. La corriente que circula por el termistor a través del circuito de medida debe ser baja para garantizar que la variación de resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de temperatura del proceso. Los termistores encuentran su principal aplicación en la medición, la compensación y el control de temperatura, y como medidores de temperatura diferencial. Termistor NTC: Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc. La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:

Donde A y B son constantes que dependen del termistor. La característica tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.

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Si seguimos aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad. La figura 2.3.4.2 nos muestra un termistor NTC.

Figura 2.3.4.2 Termistor tipo NTC

A continuación se muestran las características de este termistor:

• Para uso en aplicaciones de conmutación (AC/DC) • Se pueden utilizar en 110/220 Vac • Alta constante de tiempo: 30 a 120 seg.

La figura 2.3.4.3 muestra el cto. Equivalente del termistor NTC.

Figura 2.3.4.3 Circuito equivalente de un Termistor APLICACIONES: Hay tres grupos:

1. Aplicaciones en las que la corriente que circula por ellos, no es capaz de producirles aumentos apreciables de temperatura y por tanto la resistencia del termistor depende únicamente de la temperatura del medio ambiente en que se encuentra.

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2. Aplicaciones en las que su resistencia depende de las corrientes que lo atraviesan.

3. Aplicaciones en las que se aprovecha la inercia térmica, es decir, el tiempo que tarda el termistor en calentarse o enfriarse cuando se le somete a variaciones de tensión

Aplicaciones industriales: Medidas de temperatura:

Figura 2.3.4.4 Diagramas de aplicación utilizando el MBD9923 y 924 para la toma de temperaturas En ambos casos el indicador de temperatura (un miliamperímetro por ejemplo) depende de la temperatura ambiente en la que se encuentra la NTC. Si estas señales eléctricas (tensión o corriente) se aplican a algún circuito de control podemos obtener un eficaz control de temperatura de salas, baños, étc. ya que podemos gobernar el elemento calefactor, con su marcha y parada de acuerdo a cual sea la temperatura a que se encuentra el resistor.

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Medida de la velocidad de fluidos: El fluido (flow) se halla ligeramente calentado por una pequeña resistencia que proporciona un determinado número constante de calorías. De esta forma tendremos que las indicaciones del micro amperímetro, colocado en una de las ramas del puente, dependerán de la diferencia de temperaturas (T1-T0) a que se encuentran los termistores como se observa en la figura 2.3.4.6, y naturalmente esta diferencia es función de la velocidad del fluido. Vamos a ver, si la velocidad del fluido es nula, los dos termistores estarán a la misma temperatura, para este caso ajustaremos el puente para que el indicador (micro amperímetro) no se desvíe.

Figura 2.3.4.5 Medidores de fluido utilizando Termistores Si aumenta la velocidad del fluido, la temperatura T0 disminuirá y la T1 aumentará, provocando esta diferencia de temperatura que las variaciones en los termistores desequilibren el puente de resistencias y el micro amperímetro convenientemente graduado nos indique dicha velocidad. Accionamiento retardo de reles: Si queremos que el relé actúe con cierto retraso, utilizaremos el circuito de la figura 2.3.4.6

Figura 2.3.4.6 Circuito retardador para reles • Al aplicar una tensión V, como la NTC tiene una resistencia grande, toda la tensión estará aplicada prácticamente sobre la propia NTC, y el relé no estará accionado.

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• Debido al paso de la corriente por la NTC, esta se calentará, y por tanto disminuirá su resistencia, aumentando por tanto la caída de tensión en el relé. • En el momento que el relé actúe cerrará sus contactos, y con uno de ellos cortocircuitaremos la NTC, para que se enfríe y pueda más tarde poder volver a provocar un retardo en el relé. El tiempo de este retardo puede variar entre algunos segundos hasta varios minutos eligiendo apropiadamente el resistor NTC ver figura 2.3.4.7 Estabilización de tensiones:

Figura 2.3.4.7 Circuito de retardo y señal de trabajo para retardo de tiempo de un relé estabilizador de tensión Se conecta en serie con la NTC, una resistencia normal R1 de valor tal que su pendiente (tag a) sea del mismo valor absoluto a la de la NTC. De esta manera, en bornas de estas dos resistencias en serie, tendremos una tensión constante dentro del margen de valores (Imáx-Imín). Termistor PTC: Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación. El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta.

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Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas. Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente. Las configuraciones constructivas del termistor de uso más común son los glóbulos, las sondas y los discos. Los glóbulos se fabrican formando pequeños elipsoides de material de termistor sobre dos alambres finos separados unos 0,25 mm (ver Figuras 2.3.4.8(a), (b) y (c). Normalmente recubiertos con vidrio por razones de protección, son extremadamente pequeños (0,15 mm a 1,3 mm de diámetro) y ofrecen una respuesta extremadamente rápida a variaciones de temperatura.

Figura 2.3.4.8 (a), (b) y (c). Formas constructivas de termistores NTC a. Tipo glóbulo con diferentes tipos de terminales - b. Tipo disco - c. Tipo barra. A continuación se muestra la tabla 2.3.4.9 de Sensibilidades relativas de termistores:

mV/°C

Sensor -178°C 10°C 37,8°C Termistor en

circuito puente 4680 72000 3870

Termorresistencia de Pt en circuito

puente 18 36 54

Termocuplas: Cobre/Constantán Hierro/Constantán Chromel/Alumel Pt/Pt - 10% Rh

36

48

38

6

40

50

40

6

44

52

42

6 Tabla 2.3.4.9. Sensibilidades relativas de termistores.

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2.3.5 Pirómetro óptico (radiación): Introducción: Un pirómetro en un instrumento utilizado para medir, por medios eléctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de los termómetros de mercurio. Este término abarca a los pirómetros ópticos, de radiación, de resistencia y termoeléctricos. Nos vamos a centrar en los pirómetros de radiación y en los pirómetros ópticos. Los pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan - Boltzman y se destinan a medir elevadas temperaturas, por encima de 1600 °C mientras que los pirómetros ópticos se fundan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien y con ellos se han definido puntos por encima de 1063 °C en la Escala Internacional de Temperaturas. Las medidas pirométricas, exactas y cómodas, se amplían cada vez más, incluso para temperaturas relativamente bajas (del orden de 800 °C) Desde el punto de vista de medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde 0.1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas. La radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda de 0.45 micras para el valor violeta hasta 0.70 micras para el rojo. Los pirómetros de radiación miden, pues, la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación. Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que éste emite, se denominan pirómetros ópticos de radiación parcial o pirómetros ópticos y los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación emitida por el cuerpo, se llaman pirómetros de radiación total. Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos: a) de corriente variable en la lámpara y b) de corriente constante en la lámpara con variación del brillo de la imagen de la fuente. Los pirómetros ópticos automáticos son parecidos a los de radiación y consisten esencialmente en un disco rotativo que modula desfasadas la radiación del objeto y la de una lámpara estándar que inciden en un foto tubo multiplicador. Este envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua que convenientemente acondicionada modifica la corriente de alimentación de la lámpara estándar hasta que coinciden en brillo la radiación del objeto y la de la lámpara. En este momento, la intensidad de corriente que pasa por la lámpara es función de la temperatura. En algunos modelos el acondicionamiento de señal se realiza con un microprocesador, lo que permite alcanzar una precisión de +

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0.5% en la lectura, con la posibilidad adicional de trabajar en modo continuo o de integrar picos o valles de la radiación, en el caso del paso de objetos delante del pirómetro. Un juego de lentes parecido al de una cámara fotográfica permite efectuar la lectura de objetos tan pequeños como de Æ 0.4 mm. El coeficiente de emisión de energía radiante (medida de la característica relativa del cuerpo para emitir energía radiante) depende mucho del estado de la superficie del cuerpo emisor; para un metal como el cobre pasa de 0.10 a 0.85 si el metal perfectamente pulido se recubre bruscamente con una capa de óxido, y lo mismo sucede con un baño metálico liquido. El pirómetro dirigido sobre una superficie incandescente no nos dará su temperatura verdadera si la superficie no es perfectamente negra, es decir, que absorba absolutamente todas las radiaciones y no refleje ninguna. En los casos generales es preciso hacer una corrección de la temperatura leída (temperatura de brillo S) para tener en cuenta el valor de absorción (o de emisión) de la superficie. El pirómetro de radiación total está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una termo pila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa les hace muy sensibles a pequeñas variaciones de la energía radiante, y, además muy resistentes a vibraciones o choques. A continuación se muestra en la siguiente figura 2.3.5.1 un Pirómetro de radiación:

Figura 2.3.5.1 Pirómetro de radiación con termopar

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La parte de los termopares expuesta a la radiación está ennegrecida, para comportarse como un cuerpo negro, aumentado así sus propiedades de absorción de energía, y proporcionando la f.e.m. máxima. La f.e.m. que proporciona la termo pila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de ésta se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro y colocada en su interior de modo que su temperatura es siempre igual a la del cuerpo de éste. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la resistencia de la bobina de níquel, lo que compensa la pérdida de f.e.m. de la termo pila que acompaña el calentamiento del cuerpo del instrumento. En los bornes de la termo pila va conectado un cable de cobre que llega hasta el instrumento. La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambientes máximas de 120oC. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua, que disminuyen la temperatura de la caja en unos 10 a 400 C por debajo de la temperatura ambiente. En la medición de bajas temperaturas, la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en unos 50oC, valor que es poco más alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo suficientemente bajo como para no reducir apreciablemente la diferencia de temperaturas útil. El pirómetro puede disponer de los siguientes accesorios: a) Lente posterior para enfocar correctamente la radiación en la termo pila. b) Dispositivo de refrigeración por aire que protege la lente contra un calentamiento excesivo y al mismo tiempo, la mantiene limpia de los gases o vapores que puedan estar en contacto con el tubo de mira. Se recomienda que el caudal del aire de purga sea constante, y que su presión no supere los 0.7 kg/cm2. Se utiliza usualmente un pequeño rotámetro con regulador de caudal. De este modo, la atmósfera en contacto con la lente se encuentra libre de gases o vapores que podrían dañar la lente o condensarse en la misma, dando lugar a una disminución de la temperatura leída. Una presión mayor en el aire de purga podría dar lugar a un escape de aire a través de las juntas de la lente, y enfriar la termo pila, lo que alteraría la medida. c) Dispositivo de refrigeración por agua empleado usualmente con el dispositivo de refrigeración por aire. Este accesorio impide que el cuerpo del pirómetro se caliente excesivamente por conducción a lo largo del tubo de mira, o por radiación de otras fuentes. d) Dispositivo automático de seguridad para aislar la lente del proceso y proteger el pirómetro en el caso de que una llama lo alcance directamente. Consiste esencialmente en una caja estanca provista de un disparador automático mantenido en posición con un hilo fusible; en el caso de una

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elevación brusca de la temperatura provocada por condiciones peligrosas de la llama, se funde el hilo y el resorte cierra el obturador. El dispositivo incluye adicionalmente un obturador manual intercalado entre el automático y el proceso, que permite cambiar el fusible sin peligro para el operario. La corriente nominal del fusible es de unos 5 A, y puede conectarse a un circuito de alarma luminosa o acústica, o bien, a un circuito de control para disminuir automáticamente el consumo de fuel-oil o gas, al presentarse las condiciones de peligro. e) Tubos de mira con extremo abierto que se utiliza para proteger la lente, o bien para impedir la llegada de radiaciones de otras fuentes extrañas a las que se está apuntando. f) Tubos de mira con extremo cerrado que se emplean en hornos con atmósfera a presión, o con gases particularmente agresivos y en las medidas de temperatura de metales fundidos en los que el tubo de mira debe estar sumergido (por la existencia de escorias en la superficie de metal, que darían lugar a una temperatura leída errónea). El fondo del tubo es la fuente de radiación, y las paredes laterales tienen poca influencia. Al ser el tubo cerrado, las condiciones de trabajo se aproximan a las de cuerpo negro. Los tubos pueden ser metálicos o cerámicos. Los primeros son de acero inoxidable o aleaciones metálicas resistentes al calor y a la corrosión y se emplean a temperaturas que no superan generalmente los 1100oC. Permiten una respuesta más rápida a los cambios de temperatura que los tubos cerámicos. Los tubos cerámicos se utilizan hasta 1650ºC . Los tubos cerámicos más utilizados están formados esencialmente de los materiales: Carburo de silicio y Sillramic. La relación entre la f.e.m. generada y la temperatura del cuerpo es independiente de la distancia entre el cuerpo y la lente (excluyendo la presencia de gases o vapores que absorban energía) siempre que la imagen de la superficie del cuerpo emisor de la radiación cubra totalmente la unión caliente de la termo pila. El fabricante normaliza la relación entre las dimensiones del objeto y su distancia a la lente, para garantizar unas buenas condiciones de lectura. De este modo existen pirómetros de radiación de ángulo estrecho y de ángulo ancho. Un problema de gran importancia es la selección del material de la lente que debe transmitir la máxima energía compatible con la gama de radiación emitida. Las lentes de pyrex se utilizan en el campo de temperaturas de 850 a 1750o C, la lente de sílice fundida en el intervalo de 450 a 1250oC y la lente de fluoruro de calcio para temperaturas inferiores. Analizaremos ahora algunos aspectos de la aplicación de los pirómetros de radiación en la medición de temperaturas de cuerpos negros, opacos y transparentes. Un cuerpo opaco emite a una temperatura dada una cantidad de energía de radiación que depende del material y de la forma de la superficie. La medida de la característica relativa del cuerpo para emitir energía radiante recibe el nombre de coeficiente de emisión o emisividad.

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El cuerpo puede reflejar energía radiante adicional, procedente de cuerpos próximos, llamas, etc., de modo que si tiene un bajo coeficiente de emisión reflejará una gran cantidad de energía incidente, y, al contrario, con un alto coeficiente de emisión la energía reflejada será baja. El cuerpo negro posee una emisividad igual a la unidad y emite la máxima energía radiante. Los cuerpos cuyo coeficiente de emisión es menor que la unidad se conocen como cuerpos opacos. Si la emisividad del cuerpo es conocida, el instrumento receptor lleva acoplado un pequeño reóstato de ajuste que permite ajustar directamente la lectura a la temperatura exacta del cuerpo caliente. Al captar la radiación de un cuerpo opaco, la f.e.m. Observada en la termo pila es menor que la correspondiente a la temperatura verdadera, siendo su relación: f.e.m. equivalente = f.e.m. Observada / emisividad La energía radiante que emerge de una pequeña abertura en la pared de un recinto calentado uniformemente y con paredes opacas (que tenga o no objetos en su interior a la misma temperatura), tiende a ser radiación de cuerpo negro, ya que la energía que entra o sale de la abertura no se refleja sino que es absorbida a través de las innumerables reflexiones internas. Este es el caso de muchas instalaciones industriales en las que el pirómetro enfoca directamente a una abertura del horno, o al extremo de un tubo de mira cerrado. Un pirómetro de radiación calibrado para condiciones de cuerpo negro indicará una baja temperatura al enfocar a un cuerpo opaco instalado en el exterior de forma que éste no refleje prácticamente energía radiante de otras fuentes. Hay que señalar que los coeficientes de emisión de materiales tales como óxido de cobre, óxido de hierro y óxido de níquel son lo suficientemente elevados para medir de forma muy exacta la temperatura sin demasiados errores procedentes de radiaciones parásitas. Sin embargo, los materiales de superficie limpia, tales como aluminio, níquel, acero inoxidable y latón poseen bajos coeficientes de emisión y por consiguiente reflejan un gran porcentaje de energía. En estos casos el empleo de un pirómetro de radiación puede dar lugar a grandes errores, a menos que la medida se efectúe en condiciones controladas. Lo mismo ocurre ante la presencia de una película de aceite y de escoria. Los problemas que se presentan para determinar la temperatura verdadera de un cuerpo mediante pirómetros de radiación nos pueden hacer creer que la regulación de temperaturas con estos instrumentos es muy difícil.

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Sin embargo, hay que señalar afortunadamente que en muchos procesos las condiciones de trabajo son repetitivas; de este modo aunque se desconozcan la emisividad o se presenten radiaciones parásitas o el cuerpo sea transparente se controlará el proceso en condiciones idénticas, es decir, a iguales indicaciones del instrumento, ya que es más importante este punto que la detección de la temperatura real del proceso. En la industria aumentan, de día en día, las aplicaciones de medición de temperatura que requieren el empleo de pirómetro de radiación para enfocar objetos más pequeños a velocidades mucho más rápidas y con respuesta limitada a pequeñas zonas del espectro. El pirómetro de radiación, por su constitución, genera una señal débil que no permite ser amplificada con amplificadores de c.c. debido a su deriva de cero, por lo cual es necesario aplicar una técnica totalmente distinta: Interrumpir cíclicamente la radiación que va del objeto al detector a fin de aplicar técnicas de c.a. con su característica alta estabilidad para amplificar la corriente continua pulsante. El pirómetro de radiación de termo pila, tiene el inconveniente de su baja velocidad de respuesta que no permite la interrupción óptica de alta velocidad, por lo cual se emplean detectores fotoeléctricos de alta velocidad de respuesta.

Figura 2.3.5.2 Grafico de corrección para pirómetros

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2.4.- MEDICIÓN DE PRESIÓN: a) Teoría básica: La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada). En el Sistema internacional (S.I.) está normalizada en pascal de acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas 13 y 14 que tuvieron lugar en París en octubre de 1967 y 1971, y según la Recomendación Internacional número 17, ratificada en la III Conferencia General de la Organización Internacional de Metrología Legal. El pascal es 1 newton por metro cuadrado (1 N/m2), siendo el newton la fuerza que aplicada a un cuerpo de masa 1 Kg., le comunica una aceleración de 1 m/s2. Como el pascal es una unidad muy pequeña, se emplean también el kilo pascal (1 kPa = 10-2 bar), el Mega pascal (1 MPa = 10 bar) y el Giga pascal (1 GPa = 10 000 bar). En la industria se utiliza también el bar (1 bar = 105 Pa = 1.02 kg/cm2) y el kg/cm2, si bien esta última unidad, a pesar de su uso todavía muy extendido, se emplea cada vez con menos frecuencia. La presión puede medirse en valores absolutos o diferenciales. La presión absoluta se mide con relación al cero absoluto de presión La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro. A nivel del mar, esta presión es próxima a 760 mm (29.9 pulgadas) de mercurio absolutos o 14.7 psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) y estos valores definen la presión ejercida por la atmósfera estándar. La presión relativa es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición. Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones. El vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica. Viene expresado en mm columna de mercurio, mm columna de agua o pulgadas de columna de agua. Las variaciones de la presión atmosférica influyen considerablemente en las lecturas del vacío. El campo de aplicación de los medidores de presión es amplio y abarca desde valores muy bajos (vacío) hasta presiones de miles de bar. Los instrumentos de presión se clasifican en tres grupos: mecánicos, neumáticos, electromecánicos y electrónicos.

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A continuación se muestra un medidor de presión figura 2.4.1: TRANSMISORES DE PRESION IN04000: Los transmisores de presión de la serie INSTRU 04000 poseen una membrana en acero inoxidable AISI316.

Figura 2.4.1 a) Manométrica: La presión manométrica mide la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local, esta medición se realiza con un manómetro. Para pequeñas diferencias de presión se emplea un manómetro que consiste en un tubo en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo abierto a la atmósfera. El tubo contiene un líquido, como agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre los niveles del líquido en ambas ramas indica la diferencia entre la presión del recipiente y la presión atmosférica local. Para diferencias de presión mayores se utiliza el manómetro de Bourdon, llamado así en honor al inventor francés Eugene Bourdon ver figura 4.2.2 . Este manómetro está formado por un tubo hueco de sección ovalada curvado en forma de gancho. Los manómetros empleados para registrar fluctuaciones rápidas de presión suelen utilizar sensores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una respuesta instantánea. Como la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, hay que sumar ésta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa del manómetro corresponde a un vacío parcial.

Figura 2. 4.2 Tubo de Bourdon.

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El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo figura 2.4.3 . Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. La ley de deformación del tubo Bourdon es bastante compleja y ha sido determinada empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos. El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel. El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de hélice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y por ello, son ideales para los registradores. El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cero del instrumento. El material del diafragma es normalmente aleaci6n de niquel o inconel x. Se utiliza para pequeñas presiones. A continuación se muestra un manómetro tipo bourdon con diafragma:

Figura 2.4.3 Manómetro tipo Bourdon con diafragma

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Otro ejemplo de manómetro digital es el manómetro IN04230 se muestra en la figura 2.4.4:

a) Absoluta: Los medidores de presión absoluta consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle sellado al vacío absoluto. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta del fluido. El material empleado para los fuelles es latón o acero inoxidable. Se utilizan para la medida exacta y el control preciso de bajas presiones, a las que puedan afectar las variaciones en la presión atmosférica. Por ejemplo, en el caso de emplear un vacuómetro para el mantenimiento de una presión absoluta de 50 mm de mercurio en una columna de destilación, el punto de consigna seria de 710 mm, con una presión atmosférica de 760 mm. Si la presión atmosférica cambiase a 775 mm el vacuómetro indicaría: 710 + 15 = 725 mm con lo cual la presión absoluta en la columna sería controlada a 50 + 15 = 65 mm, es decir, a un 30 % más de la deseada. En la medida de presiones de fluidos corrosivos pueden emplearse elementos primarios elásticos con, materiales especiales en contacto directo con el fluido. Sin embargo, en la mayoría de los casos es más económico utilizar un fluido de sello cuando el fluido es altamente viscoso y obtura el elemento (tubo Bourdon, por ejemplo), o bien, cuando la temperatura del proceso es demasiado alta. Tal ocurre en la medición de presión del vapor de agua en que el agua condensada aísla el tubo Bourdon de la alta temperatura del vapor. Se emplean asimismo sellos volumétricos de diafragma y de fuelle que contienen un liquido incompresible para la transmisión de la presión. El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento Consi-derable. Hay que señalar que los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración, demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformación algunos millones de ciclos de flexión. El material empleado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para

Figura 2.4.4 Manómetro tipo IN04230

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mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión. Se emplean para pequeñas presiones.

b) Barométrica: La presión barométrica equivale a la presión atmosférica, la cual se mide con un Barómetro ver figura 2.4.5, instrumento para medir la presión atmosférica, es decir, la fuerza por unidad de superficie ejercida por el peso de la atmósfera. Como en cualquier fluido esta fuerza se transmite por igual en todas las direcciones. La forma más fácil de medir la presión atmosférica es observar la altura de una columna de liquida cuyo peso compense exactamente el peso de la atmósfera. Un barómetro de agua seria demasiado alto para resultar cómodo. El mercurio, sin embargo, es 13.6 veces más denso que el agua, y la columna de mercurio sostenida por la presi6n atmosférica normal tiene una altura de sólo 760 milímetros. Un barómetro de mercurio ordinario esté formado por un tubo de vidrio de unos 850 mm de altura, cerrado por el extremo superior y abierto por el inferior. Cuando el tubo se llena de mercurio y se coloca el extremo abierto en un recipiente lleno del mismo líquido, el nivel del tubo cae hasta una altura de unos 760 mm por encima del nivel del recipiente y deja un vacío casi perfecto en la parte superior del tubo. Las variaciones de la presión atmosférica hacen que el liquido del tubo suba o baje ligeramente; al nivel del mar no suele caer por debajo de los 737 mm ni subir más de 775 mm. Cuando el nivel de mercurio se lee con una escala graduada denominada nonius y se efectúan las correcciones oportunas según la altitud y la latitud (debido al cambio de la gravedad efectiva), la temperatura (debido a la dilatación o contracción del mercurio) y el diámetro del tubo (por los efectos de capilaridad), la lectura de un barómetro de mercurio puede tener una precisión de hasta 0.1 milímetros como se observa en la tabla 2.4.6 de conversiones. Un barómetro más cómodo (y casi tan preciso) es el llamado barómetro aneroide, en el que la presión atmosférica deforma la pared elástica de un cilindro en el que se ha hecho un vacío parcial, lo que a su vez mueve una aguja. A menudo se emplean como altímetros (instrumentos para medir la altitud) barómetros aneroides de características adecuadas, ya que la presión disminuye rápidamente al aumentar la altitud.

Figura 2.4.5 Medidor de presión barométrica

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Tabla 2.4.6 Conversión de unidades de presión:

Unidades de presión y sus factores de conversión Pascal bar N/mm² kp/m² kp/cm² atm Torr

1 Pa (N/m²)= 1 10-5 10-6 0.102 0.102×10-

4 0.987×10-

5 0.0075

1 bar (daN/cm²) = 100000 1 0.1 10200 1.02 0.987 750

1 N/mm² = 106 10 1 1.02×105 10.2 9.87 7500

1 kp/m² = 9.81 9.81×10-

5 9.81×10-

6 1 10-4 0.968×10-

4 0.0736

1 kp/cm² = 98100 0.981 0.0981 10000 1 0.968 736 1 atm (760

Torr) = 101325 1.013 0.1013 10330 1.033 1 760

1 Torr (mmHg) = 133 0.00133 1.33×10-

4 13.6 0.00132 0.00132 1

3.- CONTROLADORES: Los sistemas de control. En un sistema general se tienen una serie de entradas que provienen del sistema a controlar, llamado planta, y se diseña un sistema para que, a partir de estas entradas, modifique ciertos parámetros en el sistema planta, con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal ante cualquier variación como se representa en la figura 3.(a) y 3.(b). Planta: Un sistema a ser controlado. Controlador: provee la excitación para la planta; esta diseñado para controlar el comportamiento del sistema.

Figura 3.a Circuito de control excitación de planta Un sistema de control básico es mostrado en la siguiente figura:

Figura 3.b Circuito básico de control

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Hay varias clasificaciones dentro de los sistemas de control. Atendiendo a su naturaleza son analógicos, digitales o mixtos; atendiendo a su estructura (número de entradas y salidas) puede ser control clásico o control moderno; atendiendo a su diseño pueden ser por lógica difusa, redes neuronales. Objetivo del control: – Regular ver figura 3.(c) (medir y ajustar el funcionamiento) de forma manual o automática de un sistema .

Figura 3.c Diseño de un sistema regulador de control Fundamento del control por retroalimentación

– Medir variables de un proceso a controlar ver figura 3.(d)

Figura 3.d Control para proceso donde se miden variables

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Etapas de una acción por retroalimentación: • Proceso definido por una variable de entrada (x), perturbación (u) y una salida (y) como se observa en la figura siguiente 3.(e).

Figura 3.e Control de un sistema para una E(x), P(u) y S(y) Etapas de una acción por retroalimentación: • Medida de la variable de salida ym. • Comparación entre el valor medido (ym) y el deseado (ySP). • Generación de una señal de error ε=ySP-ym. • Suministro del error (ε) al dispositivo de control, que genera una salida (c). • Transmisión de la salida (c) al elemento final de control para modificar la variable (x) y reducir el error (ε). Tipos de controles: • Los tipos de controles difieren en la relación entre ε(t) y c(t) ver figura 3.(f).

Figura 3.f Sistema de control diferente a la relación de entrada con la salida • Tipos:

On – Off (Todo/nada). On – Off (Todo/nada) con banda de histéresis. Proporcional (P) Proporcional-Integral (PI) Proporcional-Derivado (PD) Proporcional-Integral-Derivado (PID)

3.1.- Modos de control: 3.1.1 ON – off: Los controladores "Sí/No", también llamados de "Encendido/Apagado" o "Todo/Nada", como se representa en la figura 3.1.1, son de los más básicos sistemas de control. Estos envían una señal de activación ("Sí", "Encendido" o "1") cuando la entrada de señal es menor que un nivel de referencia definido previamente y desactiva la señal de salida ("No", "Apagado" o "0") cuando la señal de entrada es mayor que la señal de referencia.

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Los controladores "Sí/No" son utilizados en termostatos de aire acondicionado. Estos activan el aire frío ("Sí") cuando la temperatura es mayor que la de referencia (la de preferencia del usuario) y lo desactivan ("No") cuando la temperatura ya es menor (o igual) que la de referencia. El modo On-Off, es un caso especial del modo proporcional aplicable solamente a un proceso estático, ya que la ganancia del On-Off es infinita (B. P. = 0). Cuando solo deseamos dar estabilidad al proceso, el modo proporcional es suficiente. Ahora sabemos que el modo proporcional tiene la desventaja de producir un error estacionario (stand by response), para corregirlo es necesario hacerlo integrando el error y ésta es una función del tiempo f(t) = 1 / Iintegrale(t) . Siendo I la denominada constante de integración que representa la ganancia con la que el modo integral contribuye.

3.1.2 On - Off con banda de histéresis: • La banda de histéresis (señal de respuesta figura 3.1.2 ) define un intervalo (comprendido entre Dos límites), en el que no se produce cambio de estado • Problema: mayor valor de ε

Figura 3.1.2 Grafica correspondiente de un sistema de control On - off con banda de Histéresis 3.1.3 Proporcional: En el sistema de posición proporcional, existe una relación continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control (dentro de la banda proporcional). Es decir, la válvula se mueve el mismo valor por cada unidad de desviación. La ganancia del controlador proporcional es la relación entre la variación en la señal de salida y el error que la produce

R4

R2

Ve

Control todo-nadaelectrónico.

Figura 3.1.1 Circuito de control de todo-nada

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(diferencia entre la variable y el punto de consigna). Banda proporcional es el porcentaje de variación de la variable controlada necesaria para provocar una carrera completa del elemento final de control. El valor de la banda proporcional de un instrumento particular, se expresa usualmente en tanto por ciento de su campo de medida total. Por ejemplo, si la escala del instrumento es 200ºC, y se necesitan 50ºC de cambio para provocar carrera total de la válvula, el tanto por ciento de la banda proporcional es 50/200, o sea 25%. En los controladores prácticos la banda proporcional puede variar desde 1 hasta 500% aproximadamente. El control proporcional es un sistema de estabilización potente, capaz de ajuste y aplicación amplísima, pero tiene la característica indeseable del error de offset. El error de offset es la diferencia que hay con respecto al valor deseado o punto de consigna. A continuación se explica como crear un control proporcional utilizando amplificadores operacionales. Si el amplificador operacional se usa como amplificador analógico de ganancia finita, su alta ganancia da lugar a que la entrada tenga que ser muy débil, casi nula, del orden de 0.2 mV. Para disminuir esta elevada ganancia es necesario realimentar la señal de salida a la entrada inversora –Ve mediante una resistencia Rf y como nos interesará que la señal de entrada tenga un valor distinto de cero, se añade al circuito otra resistencia Ra. Consideremos ahora que las señales de entrada y salida sean nulas; evidentemente no habrá circulación de corriente a través de las resistencias Rf y Ra. Si ahora la entrada inversora A cambia a + 1 V, la tensión de salida variará en la dirección –Ve hasta que la corriente de entrada del amplificador se reduzca a cero (ya que es un amplificador diferencial). Esta condición se alcanza cuando:

Vo (salida) = VA (entrada) Rf Ra

de aquí, ganancia del amplificador = Vo = Rf VA Ra Si en lugar de variar la señal de entrada inversora A, es la entrada no inversora B la que cambia únicamente en + 1 V, la señal de salida variará positivamente en la dirección + Ve hasta que la realimentación -Ve, a través de la resistencia Rf, aumente la señal en la entrada inversora el mismo valor que la entrada no inversora B. En estas condiciones, la ganancia del amplificador es:

Ganancia = Vo = Ra + Rf VB Ra

Esta diferencia de ganancias debe eliminarse en las aplicaciones verdaderamente diferenciales. La igualdad de estas dos ganancias se logra mediante un divisor de tensión aplicado a la entrada no inversora B.

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Si sólo se utiliza la entrada A y se usa la resistencia Rb para conectar la entrada no inversora a 0 V, la ganancia correspondiente es:

G = Vo = Rf ya que Ib = 0 VA Ra

Si la entrada utilizada es sólo la B, se emplea la resistencia Rb en serie en la entrada B, con lo cual:

G = Vo = Rf ya que Ia = 0 VB Ra

En cualquiera de estos dos casos, se obtendrá un controlador de ganancia variable, es decir, proporcional variando la relación Rf/Ra mediante un potenciómetro con el cursor conectado a la entrada inversora del amplificador operacional. • Sensibilidad del controlador:

– Se puede utilizar KC o la “banda proporcional”: BP

– Definición de banda proporcional: es la variación de la variable controlada (expresada en porcentaje del intervalo total definido en el controlador) necesaria para cambiar la salida del controlador del valor más bajo al más alto

• Función de transferencia de un controlador proporcional

A continuación se muestra la grafica de comportamiento 3.1.3 del control proporcional:

Figura 3.1.3 Comportamiento del control proporcional

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3.1.4 Proporcional + integral: Si la acción de posición proporcional se combina con la acción integral, es posible compensar las paradas con el movimiento continuo del accionador, que persiste mientras la variable no alcanza el valor de consigna y se debe a la acción integradora. La velocidad proporcional de la acción integral, añade la ventaja de que la corrección será más rápida cuanto mayor sea la desviación. La acción integral combinada con la acción proporcional se llama: control proporcional + integral. El efecto de la acción integral es añadir acción correctiva al proceso mientras exista desviación. Esto equivale a variar la consigna gradualmente forzando así al controlador a seguirlo hasta que la consigna original se alcance de nuevo. Cuando aparece una desviación, hay una respuesta inmediata de la acción de posición proporcional de controlador. Esta acción aumenta a velocidad fija, por la acción integral. El número de veces por minuto que la acción de posición proporcional inicial se aumenta por la acción de integración se expresa comúnmente en repeticiones por minuto. Una vez hecho el ajuste de integración de un controlador, la magnitud de esta acción es proporcional a la magnitud de la desviación y al tiempo que se tarda. Esto causa un ciclaje prolongado con cambios rápidos de carga. Por lo tanto los cambios de carga deben ser lentos para esta clase de respuesta. Para control de posición proporcional solamente, la ganancia debe ser lenta para evitar paradas indeseables de la regulación en valores próximos a la consigna. Como la adición de la acción integral elimina estas paradas, la ganancia puede ser menor. De lo anterior se deduce que la acción proporcional + integral es apropiada para procesos con respuesta rápida. Del mismo modo que la acción proporcional se definía por la banda proporcional o la ganancia, la acción integral viene definida por el denominado tiempo de acción integral, que es el intervalo de tiempo en que, ante una señal de entrada en escalón, la parte de la señal debida a la acción integral iguala a la parte debida a la acción proporcional. También se acostumbra a expresar la acción integral en repeticiones por minuto que es el número de veces por minuto con que se repite la acción proporcional y que es el recíproco matemático de minutos por repetición. • Características de un controlador PI

– Más lento que un controlador tipo P

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– Problema de windup: saturación del control I – Función de transferencia de un controlador PI

La respuesta del controlador integral elimino el error en estado estable. Se ha reducido la ganancia proporcional (Kp) debido a que el controlador integrativo también reduce el tiempo de crecimiento y aumenta el sobrepico al igual que el controlador proporcional (doble efecto). A continuación se muestra la grafica 3.1.4 la respuesta del control PI:

3.1.5 Proporcional + derivativo: • Matemáticamente, la acción de control proporcional-derivada se puede escribir:

• Características de un controlador PD y se representa como la figura 3.1.5

– La acción derivada presenta un comportamiento anticipativo (se adelanta en relación al control proporcional)

– Si ε(t)=cte la componente D no da corrección

Grafica 3.1.4 Respuesta de un control PI

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– Pueden aparecer problemas en sistemas con ruido – Función de transferencia de un controlador PD

Este grafico muestra que la parte derivativa del controlador reduce tanto el sobrepico como el tiempo de establecimiento, con poca influencia en el tiempo de crecimiento y el error en estado estable.

3.1.6 Proporcional + integral + derivativo: Esta simple combinación soslaya las limitaciones mejor que cualquier otro tipo de control. Contiene la compensación para las constantes de tiempo grandes, en la respuesta inicial lenta de la acción derivada. También combina la respuesta favorable de los controladores de posición proporcional para los cambios de carga pequeños y rápidos con la aplicación de control proporcional integral para cambios de carga grandes y lentos; de este modo las variaciones de carga pueden ser grandes y rápidas. Por lo explicado podría entenderse que la acción proporcional integral y derivada, debe referirse siempre que se presente el caso de elegir entre: control On – Off, de posición proporcional, proporcional-integral o proporcional-integral-derivada. La unión en un circuito de los tres controladores da lugar a un instrumento electrónico proporcional + integral + derivativo. El circuito simplificado consiste en un módulo proporcional + integral – donde se fija la ganancia o banda proporcional, se amplifica la desviación entre la variable y el punto de consigna, se fija el valor del punto de consigna y se selecciona la acción directa o la inversa del controlador - y un módulo de acción derivada modificada donde se encuentra el potenciómetro de acción derivada. La ecuación correspondiente es:

V0 = g(PV-SP) + K’�(PV-SP)dt + K’’ d(PV-SP) dt

Grafico 3.1.5 Comportamiento del control PD

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En otros controladores, el potenciómetro de acción proporcional se encuentra en la salida del segundo amplificador operacional. Los controladores electrónicos suelen disponer además de un conmutador automático-manual con un reóstato para control manual y un circuito de memoria para que el cambio automático a manual se efectúe sin saltos. En los instrumentos electrónicos, el cambio manual-automático o automático-manual se efectúa sin saltos en la posición de la válvula de control gracias a un circuito de memoria, que mantiene el mismo nivel de potencial antes de la conmutación. En la posición manual el elemento final de control recibe la salida de un potenciómetro de ajuste manual, mientras que en la posición automática la conexión queda establecida en el bloque PID. • Representa una combinación de los tres anteriores • Matemáticamente, la acción PID puede expresarse como:

• Características de un controlador PID – Aprovecha las ventajas de los controladores anteriores – Puede presentar algunos de sus problemas

– Función de transferencia

Asi, sea obtenido un sistema sin sobrepico, con rápido tiempo de establecimiento y crecimiento, y sin error de estado estable. A continuación se muestra la respuesta del Control Proporcional Integral Derivativo:

Grafico 3.1.6 Respuesta del controlador PID

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Consejos generales para el diseño de un controlador PDI: En el proceso de determinar un controlador PID con SCILAB para un sistema dado, los siguientes pasos son útiles para obtener una respuesta deseada. 1. Obtenga la respuesta de lazo cerrado y determine las características a ser mejoradas 2. Agregue un control proporcional para mejorar el tiempo de crecimiento 3. Agregue un control derivativo para mejorar el sobrepico 4. Agregue un control integrativo para eliminar el error de estado estable 5. Ajuste cada una de las ganancias Kp, Ki, y Kd hasta que se obtenga la respuesta deseada. 3.2 Sintonizador de controladores: Existen varios sistemas para sintonizar los controladores al proceso, es decir, para que la banda proporcional (ganancia), el tiempo de acción integral (minutos/repetición) y el tiempo de acción derivada (minutos de anticipo) del controlador, en caso de que posea las tres acciones, se acoplen adecuadamente con el resto de los elementos del bucle de control - proceso + transmisor + válvula de control -. Este acoplamiento debe ser tal que, ante una perturbación, se obtenga una curva de recuperación que satisfaga cualquiera de los criterios mencionados para que el control sea estable, en particular, el de área mínima con una relación de amortiguación de 0.25 entre crestas sucesivas de la onda. Para que este acoplamiento entre el controlador y el proceso sea posible es necesario un conocimiento inicial de las características estáticas y dinámicas del sistema controlado. Existen dos métodos fundamentales para determinar estas características, el método analítico y el experimental. El método analítico se basa en determinar el modelo o ecuación relativa a la dinámica del sistema, es decir, su evolución en función del tiempo. Este método es generalmente difícil de aplicar por la complejidad de los procesos industriales y se incorpora a los controladores digitales y al control distribuido, que disponen de la potencia de cálculo adecuada en la determinación de la identificación del proceso y de los parámetros del modelo. En el método experimental, las características estáticas y dinámicas del proceso se obtienen a partir de una medida o de una serie de medidas realizadas en el proceso real. Estas respuestas del proceso pueden efectuarse de tres formas principales. 1. Método de tanteo (lazo cerrado) 2. Método de ganancia límite (lazo cerrado) 3. Método de curva de reacción (lazo abierto) Otros métodos de ajuste que se pueden ejecutar automáticamente son el de Nishikawa, el de Chindambara y el de Kraus y Myron, existiendo una búsqueda constante de nuevos métodos gracias al uso amplio del ordenador que permite el análisis del proceso y el ensayo en tiempo real de los valores de las acciones de control. Método de tanteo. Este método requiere que el controlador y el proceso estén instalados completamente y trabajando en su forma normal. El procedimiento

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general se basa en poner en marcha el proceso con bandas anchas en todas las acciones, y estrecharlas después poco a poco individualmente, hasta obtener la estabilidad deseada. Para provocar cambios de carga en el proceso y observar sus reacciones, se mueve el punto de consigna arriba y abajo en ambas direcciones, lo suficiente para lograr una perturbación considerable, pero no demasiado grande que pueda dañar el producto, perjudicar la marcha de la planta o bien crear perturbaciones intolerables en los procesos asociados. Es necesario que pase un tiempo suficiente después de cada desplazamiento del punto de consigna, para observar el efecto total del último ajuste obteniendo algunos ciclos de la respuesta ante la perturbación creada. En procesos muy lentos ello puede requerir hasta 2 o 3 horas. Para sintonizar los controladores proporcionales, se empieza con una banda proporcional ancha y se estrecha gradualmente observando el comportamiento del sistema hasta obtener la estabilidad deseada. Hay que hacer notar que al estrechar la banda proporcional, aumenta la inestabilidad y que al ampliarla se incrementa el error de offset. Para sintonizar los controladores con banda P + I, se procede del siguiente modo: Con la banda integral 0, o en su valor más bajo, se sigue el procedimiento descrito anteriormente para obtener el ajuste de la banda proporcional hasta una relación de amortiguamiento aproximado de 0.25. Como la acción integral empeora el control y al poseerla el instrumento, su banda proporcional debe ser un poco más alta (menor ganancia del controlador), se aumenta ligeramente la banda proporcional y a continuación se incrementa por pasos la banda integral, creando al mismo tiempo perturbaciones en forma de desplazamientos del punto de consigna, hasta que empiecen a aumentar los ciclos. La última banda ensayada se reduce ligeramente. Un controlador PI bien sintonizado lleva la variable al punto de consigna rápidamente y con pocos ciclos sin que éstos rebasen o bajen del punto de consigna según haya sido el signo de la perturbación. Al sintonizar los controladores P + I + D, se procede del siguiente modo: Con la banda derivada e integral a 0, o al mínimo, se estrecha la banda proporcional hasta obtener una relación de amortiguamiento de 0.25. Se aumenta lentamente la banda integral en la forma indicada anteriormente hasta acercarse al punto de inestabilidad. Se aumenta la banda derivativa en pequeños incrementos, creando al mismo tiempo desplazamientos del punto de consigna hasta obtener en el proceso un comportamiento cíclico, reduciendo ligeramente la última banda derivada. Después de estos ajustes, puede estrecharse normalmente la banda proporcional con mejores resultados en el control. Hay que señalar que una acción derivada óptima después de una perturbación lleva la variable a la estabilización en muy pocos ciclos.

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En otra forma de sintonización, para obtener una óptima banda derivada se trabaja primero con una banda proporcional que da lugar a una ligera oscilación (varios ciclos) ante una perturbación, con la acción integral reducida al mínimo. Se aumenta a continuación la acción derivada hasta eliminar el ciclo de la proporcional. Se estrecha de nuevo la acción proporcional hasta que los ciclos se inician, y se aumenta todavía más la banda derivada hasta eliminarlos, continuando con estos pasos hasta que el aumento de la acción derivada no mejore la eliminación de los ciclos producidos. Finalmente se ajusta la acción integral en la forma descrita anteriormente para eliminar el offset. Si los ajustes efectuados son excesivos, pueden obtenerse las oscilaciones: - Oscilación proporcional. - Oscilación integral. - Oscilación derivada. Para distinguirlas, se observan las siguientes reglas: a) La oscilación integral tiene un periodo relativamente largo; b) La oscilación proporcional tiene un periodo relativamente moderado; c) La oscilación derivada tiene un periodo muy largo y la variable tarda bastante tiempo en estabilizarse. Pueden emplearse también otros criterios de sintonización. Estos criterios están basados en la respuesta del lazo de control (abierto o cerrado) a las entradas en escalón, o a las propias perturbaciones del proceso. Incluyen el tiempo de subida (tiempo requerido para que la respuesta a una entrada en escalón alcance del 10 al 90 % del valor final), el tiempo de pico (tiempo que transcurre desde que la variable cruza el valor final hasta que alcanza su primer valor máximo o pico), el tiempo de restablecimiento (tiempo requerido para que la respuesta alcance y se mantenga dentro del 10 al 90 % del valor final), la relación de amortiguación entre picos de la variable de proceso, la integral del error al cuadrado (ISE), la integral del error absoluto (IAE) y la integral del tiempo y del error absoluto (ITAE). Método de ganancia límite. Este método de lazo cerrado fue desarrollado por Ziegler y Nichos, en 1941 y permite calcular los tres términos de ajuste del controlador a partir de los datos obtenidos en una prueba rápida de características del bucle cerrado de control. El método se basa en estrechar gradualmente la banda proporcional con los ajustes de integral y derivada en su valor más bajo, mientras se crean pequeños cambios en el punto de consigna, hasta que el proceso empieza a oscilar de modo continúo. Esta banda proporcional se denomina banda proporcional limite (PBU). Se anota el periodo del ciclo de las oscilaciones Pu en minutos, y la última banda proporcional PBu. Método de curva de reacción. En este método de lazo abierto, el procedimiento general consiste en abrir el bucle cerrado de regulación antes de la válvula, es decir, operar directamente la válvula con el controlador en manual y crear un pequeño y rápido cambio en escalón en el proceso de entrada. La respuesta obtenida se introduce en un registrador de gráfico de banda de precisión con el mayor tamaño posible del gráfico para obtener la mayor exactitud.

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En el punto de inflexión de la curva obtenida se traza una tangente lo más aproximada posible y se miden los valores R y L. R es la pendiente de la tangente en el punto de inflexión de la curva, L es el tiempo de retardo del proceso. El retardo L es el tiempo en minutos que transcurre entre el instante del cambio en escalón y el punto en que la tangente anterior cruza el valor inicial de la variable controlada. DP es el % de variación de posición de la válvula de control que introduce el escalón en el proceso. Hay que señalar que los procedimientos de ganancia límite y de curva de reacción fueron deducidos empíricamente después de analizar muchos tipos de procesos industriales y ambos se basan en la respuesta del proceso ante una perturbación. Como esta perturbación es provocada, se corre el riesgo de abandonar las condiciones normales de trabajo del lazo de control. Por otro lado, es evidente que las características del proceso no permanecen constantes en todo momento, por lo cual puede ocurrir que los valores de las acciones determinados en unas condiciones de carga dadas se aparten de las bandas convenientes para otras condiciones de carga distintas. De aquí, que es preferible realizar los ensayos en las peores condiciones de carga del proceso para que, de este modo, los ajustes del controlador sean válidos en todas las condiciones de servicio. Observaciones análogas pueden aplicarse a las bandas determinadas con el método de tanteo debiendo señalar que para afinar los ajustes determinados con los otros dos métodos es conveniente realizar un procedimiento de tanteo adicional. Métodos de ajuste automático. El instrumento controlador dispone de un algoritmo de auto sintonización de las acciones de control que le permite sintonizar con una amplia gama de procesos industriales. Existen varias formas de realizar la auto sintonización: a) La aplicación de una señal de prueba al proceso, y el análisis de su respuesta con la obtención de un modelo matemático y el diseño analítico del controlador, o bien el uso de las formas del método de ganancia límite de Ziegler y Nichols. En el primer caso, tal como el método de Nishikawa, Sannomiya, Ohta y Tanaka (1984), el operador envía una señal de prueba y el sistema obtiene un modelo que minimiza la señal de error. Una vez estimadas las características del modelo, lo que precisa un cierto tiempo (tanto mayor cuanto más oscilatoria sea la respuesta), el ordenador calcula los parámetros PID que minimizan el error. Los métodos de Chindambara (1970) y de Kraus y Myron (1984) están basados en el método de ganancia límite. Analizan la señal de error obtenida ante cambios en el punto de consigna o en la carga del proceso y son fácilmente programables en el ordenador del proceso. En el método de Chindambara se dan valores aproximados a las acciones del controlador y se aplican las fórmulas siguientes para obtener de forma iterativa los nuevos valores PID.

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En el método de Kraus y Myron se intenta obtener el mínimo tiempo de subida fijando limitaciones en el amortiguamiento b/a y en la primera recuperación a/DPC. Las fórmulas de Ziegler y Nichols aplicados al controlador darán un nuevo amortiguamiento b/a y recuperación a/DPC que no deben sobrepasar los límites anteriores. Si lo hacen, el controlador varía su ganancia para cumplir con esta condición y, por lo tanto, calcula nuevos valores de TI y TD. Si al aplicar estos métodos el proceso entra en oscilación, la perturbación consiguiente puede invalidar la aplicación, si el proceso no lo permite. a) El análisis continuo u ocasional (ante una perturbación o una modificación del punto de consigna) del proceso sin aplicar señales de prueba, sin perturbar, pues, el proceso, pero con el inconveniente de no detectar los cambios lentos del mismo. Se trata de controladores adaptativos. El ordenador puede utilizarse (por ejemplo, dentro del control distribuido) para ajustar las acciones de control con técnicas (off - line), que trabajan con modelos dinámicos del proceso, y con técnicas (on - line), que identifican la dinámica del proceso con la planta en operación. El ordenador realiza los cálculos, verifica lo que ha hecho el operador y realiza los ajustes en el controlador. El ordenador personal también puede utilizarse (con el software adecuado) en el análisis y ajuste del lazo de control. El programa obtiene datos de la variable de proceso a partir de la respuesta en lazo cerrado a un escalón o impulso y guarda los valores de la variable medida y de la señal de salida del controlador en ficheros ASCII, tipo Lotus o Notebook o similares. Analizando estos datos, calcula los valores de las acciones P, PI, PD o PID del controlador. En los controladores analógicos neumáticos o electrónicos, el ajuste de los valores de las acciones se realiza en diales de pequeño diámetro con graduaciones muy separadas, con lo cual la precisión del ajuste no supera + 15% del valor seleccionado. Por el contrario, los controladores digitales permiten ajustes exactos y repetitivos, lo que es indudablemente una ventaja, si cualquier aparato es sustituido por razones de mantenimiento. 3.3 Aplicación de los controladores: Este tema tiene por objeto presentar varias aplicaciones típicas en la industria. Algunas de las operaciones de proceso que se controlan con mayor frecuencia son: - Calderas de vapor. - Secaderos y evaporadores. - Hornos de empuje. - Columnas de destilación. - Intercambiadores de calor.

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4 .- Elementos Finales de Control: El accionador o actuador es la parte de la válvula de control con que se convierte la energía de entrada, ya sea neumática o eléctrica, en movimiento mecánico para abrir o cerrar la válvula. El uso de fluidos hidráulicos en los elementos finales de control tiene muchas ventajas: 1) se pueden usar altas presiones, por encima de 3000 psi y ocasionalmente mayores. 2) el fluido, comparado con el aire es, prácticamente incompresible y, por lo tanto, es de acción más rápida y más potente. 3) el fluido tiene propiedades autolubricantes. Las funciones hidráulicas posicionan un pistón, un accionador giratorio o un motor hidráulico y así le transmiten el movimiento deseado al elemento final de control. Las válvulas, elementos finales en los lazos de control se muestran en la figura 4.(a) las válvulas son los elementos de control más comunes, sin embargo se utilizan también otros elementos finales de control como son los amortiguadores, controles de velocidad o circuitería de posición. Nótese que cualquiera de los actuadores listados puede ser utilizado con cualquiera de los cuerpos de las válvulas mostradas. Usualmente se utilizan sólo los símbolos más simples y se reservan las especificaciones detalladas para los diagramas de los lazos de control.

4.a Válvulas Elementos finales en los lazos de control

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Partes de la válvula de control. Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz o actuador y el cuerpo. • Actuador: el actuador también llamado accionador o motor, puede ser neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros, por ser las más sencillas y de rápida actuaciones. Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente. Los actuadores neumáticos constan básicamente de un diafragma, un vástago y un resorte tal como se muestra en la figura 4. (b). • Lo que se busca en un actuador de tipo neumático es que cada valor de la presión recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago. Teniendo en cuenta que la gama usual de presión es de 3 a 15 lbs/pulg² en la mayoría de los actuadores se selecciona el área del diafragma y la constante del resorte de tal manera que un cambio de presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento del vástago igual al 100% del total de la carrera.

Figura 4.b Actuador de una válvula de control.

Cuerpo de la válvula: este esta provisto de un obturador o tapón, los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapón es el encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar en la dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Esta unido por medio de un vástago al actuador. 4.1 Actuadores neumáticos: Estos son los actuadores más usuales en la industria de proceso. En la siguiente figura se muestra un actuador de diafragma típico; estos actuadores consisten en un diafragma flexible que se coloca entre dos compartimientos; una de las cámaras resultantes de este arreglo debe ser hermética. A la fuerza que se genera con el actuador se opone un resorte de rango. La señal neumática del controlador entra a la cámara hermética, y con el incremento o decremento de presión se produce una fuerza que se utiliza para vencer la fuerza del resorte de rango del actuador y las del interior del cuerpo de la válvula. La acción de la válvula, cerrar a falla de aire (CF) o abrir a falla de aire (AF) se determina mediante el actuador.

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El tamaño del actuador depende de la presión del proceso contra la cual se debe mover el vástago y de la presión de aire de que se dispone; el rango de presión de aire más común es de 3-15 psi, pero también se utilizan los rangos de 6 a 30 y de 3 a 27 psi. Estos actuadores de diafragma son de construcción simple, confiable y económica. El fabricante proporciona las ecuaciones para dimensionar los actuadores. A continuación se muestran algunos tipos de actuadotes neumáticos ver figura 4.1. (a) y (b):

Figura 4.1.a Actuadotes neumáticas

4.2. Actuadores eléctricos para válvulas: La válvula de control más simple es probablemente la de solenoide, aunque éstas se encuentran preparadas sólo para controladores de dos posiciones. Las válvulas solenoide tipo compacto son particularmente ventajosas debido a su estructura compacta, y a pruebas de roturas que no necesita prensaestopas.

Figura 4.1. b Cilindros neumáticos

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Estando limitadas la presión y la temperatura, estos tipos se deben usar en los casos en que no haya estas limitaciones. El accionamiento de dos posiciones no debe verse como referido sólo a condiciones de completamente abierto y completamente cerrado. Debe considerarse la acción de dos posiciones siempre que exista un cambio entre dos posiciones finitas de válvula. Generalmente se dispone de interruptores de ajuste en las válvulas solenoide; esto permite su fijación en cualquier punto en que la válvula actúe. La figura 4.2 muestra una vista de la sección transversal de una válvula solenoide fabricada por la Atkomatic Valve Company. Esta es una válvula autónoma y accionamiento piloto. El aislamiento está cerrado con un disco de material compuesto. Encima del asiento está el lado de alta presión, por ejemplo, la entrada del fluido, y debajo de éste, el lado de baja presión, por ejemplo, la salida del fluido. El vástago de la válvula es una pieza cilíndrica relativamente pesada, que es ancha por su parte baja para llenar el disco y también para proporcionar guías para el movimiento hacia arriba y abajo. Estas guías no prevén la alta presión del cuerpo de la válvula desde la comunicación libre con la cámara formada por la parte central del vástago, que es menor en diámetro que ambos extremos. El extremo superior del vástago es un pistón que por medio de anillos precinta contra las paredes dentro de las que él se mueve.

Figura 4.2 Vista de corte de una válvula solenoide

El vástago es hueco a lo largo de su eje vertical y cerrado en su extremo superior por la válvula auxiliar P. Ahí existe una conexión directa con el lado de baja presión de la válvula. Cuando se aplica la corriente, la barra levanta la válvula auxiliar P, reduciendo la presión en la parte superior del pistón por el asiento auxiliar con el orificio A, en el lado de baja presión de la válvula. Como este orificio es mayor que el orificio B, la presión en el lado inferior del pistón será mayor que el de la parte superior, y moverá el pistón hacia arriba, abriendo la válvula. Cuando se corta la corriente, la válvula auxiliar P cierra el orificio A. Esto igualará la presión encima y debajo del pistón por el orificio B. El resorte hará volver el pistón para cerrar la válvula y la misma línea de presión mantendrá la válvula cerrada.

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La ventaja de esta solución es que no sólo permite la operación contra altas presiones con una potencia eléctrica relativamente pequeña, sino también que los efectos del golpe de aceite se reducen grandemente, debido a que el movimiento de cerrado se puede realizar lentamente por medio de la relación de diámetros entre los orificios A y B. Una aplicación de interés es el elevador de campo donde se necesita una velocidad proporcional controlada para eliminar el golpe en la parada del elevador. En esta aplicación, el orificio B se cierra, y la camisa superior del pistón se desvía por medio de una válvula de aguja, en el exterior del cuerpo de la válvula solenoide. Esta válvula de aguja controla la cantidad de flujo por el pistón y, por lo tanto, ajusta la velocidad de cierre de la válvula. 4.3 Actuadores de válvulas de control: En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de regulación . Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente variable ver figura 4.3.1 . Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador.

Figura 4.3.1 Válvula de Control.

Las válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador. Las válvulas de movimiento lineal en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje se clasifican como se especifica a continuación: Categorías de válvulas. Debido a las diferentes variables, no puede haber una válvula universal; por tanto, para satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han creado

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innumerables diseños y variantes con el paso de los años, conforme se han desarrollado nuevos materiales. Todos los tipos de válvulas recaen en nueve categorías: válvulas de compuerta, válvulas de globo, válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de apriete, válvulas de diafragma, válvulas de macho, válvulas de retención y válvulas de desahogo (alivio). Estas categorías básicas se describen a continuación. Seria imposible mencionar todas las características de cada tipo de válvula que se fabrica y no se ha intentado hacerlo. Más bien se presenta una descripción general de cada tipo en un formato general, se dan recomendaciones para servicio, aplicaciones, ventajas, desventajas y otra información útil para el lector. Válvulas de compuerta. La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento (ver figura 4.3.2).

Figura 4.3.2 Válvula de compuerta.

Recomendada para • Servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación. • Para uso poco frecuente. • Para resistencia mínima a la circulación. • Para mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería. Aplicaciones Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos. Ventajas • Alta capacidad. • Cierre hermético. • Bajo costo. • Diseño y funcionamiento sencillos. • Poca resistencia a la circulación. Desventajas • Control deficiente de la circulación. • Se requiere mucha fuerza para accionarla. • Produce cavitación con baja caída de presión.

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• Debe estar cubierta o cerrada por completo. • La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco. Variaciones • Cuña maciza, cuña flexible, cuña dividida, disco doble. • Materiales • Cuerpo: bronce, hierro fundido, hierro, acero forjado, Monel, acero fundido, acero inoxidable, plástico de PVC. • Componentes diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento • Lubricar a intervalos periódicos. • Corregir de inmediato las fugas por la empaquetadura. • Enfriar siempre el sistema al cerrar una tubería para líquidos calientes y al comprobar que las válvulas estén cerradas. • No cerrar nunca las llaves a la fuerza con la llave o una palanca. • Abrir las válvulas con lentitud para evitar el choque hidráulico en la tubería. • Cerrar las válvulas con lentitud para ayudar a descargar los sedimentos y mugre atrapados. Especificaciones para el pedido • Tipo de conexiones de extremo. • Tipo de cuña. • Tipo de asiento. • Tipo de vástago. • Tipo de bonete. • Tipo de empaquetadura del vástago. • Capacidad nominal de presión para operación y diseño. • Capacidad nominal de temperatura para operación y diseño. Válvulas de macho La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90°, ver figura 4.3.3 .

Figura 4.3.3 Válvula de macho.

Recomendada para • Servicio con apertura total o cierre total. • Para accionamiento frecuente. • Para baja caída de presión a través de la válvula. • Para resistencia mínima a la circulación. • Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería.

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Aplicaciones • Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos. • Ventajas • Alta capacidad. • Bajo costo. • Cierre hermético. • Funcionamiento rápido. Desventajas • Requiere alta torsión (par) para accionarla. • Desgaste del asiento. • Cavitación con baja caída de presión. Variaciones • Lubricada, sin lubricar, orificios múltiples. • Materiales • Hierro, hierro dúctil, acero al carbono, acero inoxidable, aleación 20, Monel, níquel, Hastelloy, camisa de plástico. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento • Dejar espacio libre para mover la manija en las válvulas accionadas con una llave. • En las válvulas con macho lubricado, hacerlo antes de ponerlas en servicio. • En las válvulas con macho lubricado, lubricarlas a intervalos periódicos. Especificaciones para pedido • Material del cuerpo. • Material del macho. • Capacidad nominal de temperatura. • Disposición de los orificios, si es de orificios múltiples. • Lubricante, si es válvula lubricada. Válvulas de globo Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería como se muestra en la figura 4.3.4 .

Figura 4.3.4 Válvula de globo.

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Recomendada para • Estrangulación o regulación de circulación. • Para accionamiento frecuente. • Para corte positivo de gases o aire. • Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación. Aplicaciones Servicio general, líquidos, vapores, gases, corrosivos, pastas semilíquidas. Ventajas • Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento. • Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete. • Control preciso de la circulación. • Disponible con orificios múltiples. Desventajas • Gran caída de presión. • Costo relativo elevado. Variaciones Normal (estándar), en "Y", en ángulo, de tres vías. Materiales Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, plásticos. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Instalar de modo que la presión este debajo del disco, excepto en servicio con vapor a alta temperatura. Registro en lubricación. Hay que abrir ligeramente la válvula para expulsar los cuerpos extraños del asiento. Apretar la tuerca de la empaquetadura, para corregir de inmediato las fugas por la empaquetadura. Especificaciones para el pedido • Tipo de conexiones de extremo. • Tipo de disco. • Tipo de asiento. • Tipo de vástago. • Tipo de empaquetadura o sello del vástago. • Tipo de bonete. • Capacidad nominal para presión. • Capacidad nominal para temperatura.

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Válvulas de bola Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto como se observa en la siguiente figura 4.3.5 .

Figura 4.3.5 Válvula de bola.

Recomendada para • Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación. • Cuando se requiere apertura rápida. • Para temperaturas moderadas. • Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación. Aplicaciones Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas. Ventajas • Bajo costo. • Alta capacidad. • Corte bidireccional. • Circulación en línea recta. • Pocas fugas. • Se limpia por si sola. • Poco mantenimiento. • No requiere lubricación. • Tamaño compacto. • Cierre hermético con baja torsión (par). Desventajas • Características deficientes para estrangulación. • Alta torsión para accionarla. • Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras. • Propensa a la cavitación. Variaciones Entrada por la parte superior, cuerpo o entrada de extremo divididos (partidos), tres vías, Venturi, orificio de tamaño total, orificio de tamaño reducido. Materiales Cuerpo: hierro fundido, hierro dúctil, bronce, latón, aluminio, aceros al carbono, aceros inoxidables, titanio, tántalo, zirconio; plásticos de polipropileno y PVC. Asiento: TFE, TFE con llenador, Nylon, Buna-N, neopreno.

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Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Dejar suficiente espacio para accionar una manija larga. Especificaciones para el pedido • Temperatura de operación. • Tipo de orificio en la bola. • Material para el asiento. • Material para el cuerpo. • Presión de funcionamiento. • Orificio completo o reducido. • Entrada superior o entrada lateral. Válvulas de mariposa La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación ver figura siguiente 4.3.6 .

Figura 4.3.6 Válvula de mariposa.

Recomendada para • Servicio con apertura total o cierre total. • Servicio con estrangulación. • Para accionamiento frecuente. • Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos. • Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería. • Para baja ciada de presión a través de la válvula. Aplicaciones Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión. Ventajas • Ligera de peso, compacta, bajo costo. • Requiere poco mantenimiento. • Numero mínimo de piezas móviles. • No tiene bolas o cavidades. • Alta capacidad. • Circulación en línea recta. • Se limpia por si sola. Desventajas • Alta torsión (par) para accionarla. • Capacidad limitada para caída de presión.

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• Propensa a la cavitación. Variaciones Disco plano, disco realzado, con brida, atornillado, con camisa completa, alto rendimiento. Materiales Cuerpo: hierro, hierro dúctil, aceros al carbono, acero forjado, aceros inoxidables, aleación 20, bronce, Monel. Disco: todos los metales; revestimientos de elastómeros como TFE, Kynar, Buna-N, neopreno, Hypalon. Asiento: Buna-N, viton, neopreno, caucho, butilo, poliuretano, Hypalon, Hycar, TFE. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Se puede accionar con palanca, volante o rueda para cadena. Dejar suficiente espacio para el movimiento de la manija, si se acciona con palanca. Las válvulas deben estar en posición cerrada durante el manejo y la instalación. Especificaciones para el pedido • Tipo de cuerpo. • Tipo de asiento. • Material del cuerpo. • Material del disco. • Material del asiento. • Tipo de accionamiento. • Presión de funcionamiento. • Temperatura de funcionamiento. Válvulas de diafragma Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación ver figura siguiente 4.3.7 .

Figura 4.3.7 Válvula de diafragma.

Recomendada para • Servicio con apertura total o cierre total. • Para servicio de estrangulación. • Para servicio con bajas presiones de operación.

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Aplicaciones Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos, alimentos, productos farmacéuticos. Ventajas • Bajo costo. • No tienen empaquetaduras. • No hay posibilidad de fugas por el vástago. • Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los productos que circulan. Desventajas • Diafragma susceptible de desgaste. • Elevada torsión al cerrar con la tubería llena. Variaciones • Tipo con vertedero y tipo en línea recta. • Materiales • Metálicos, plásticos macizos, con camisa, en gran variedad de cada uno. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Lubricar a intervalos periódicos. No utilizar barras, llaves ni herramientas para cerrarla. Especificaciones para el pedido • Material del cuerpo. • Material del diafragma. • Conexiones de extremo. • Tipo del vástago. • Tipo del bonete. • Tipo de accionamiento. • Presión de funcionamiento. • Temperatura de funcionamiento. Válvulas de apriete La válvula de apriete es de vueltas múltiples y efectúa el cierre por medio de uno o mas elementos flexibles, como diafragmas o tubos de caucho que se

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pueden apretar u oprimir entre si para cortar la circulación ver figura siguiente 4.3.8 .

Figura 4.3.8 Válvula de apriete.

Recomendada para • Servicio de apertura y cierre. • Servicio de estrangulación. • Para temperaturas moderadas. • Cuando hay baja caída de presión a través de la válvula. • Para servicios que requieren poco mantenimiento. Aplicaciones Pastas semilíquidas, lodos y pastas de minas, líquidos con grandes cantidades de sólidos en suspensión, sistemas para conducción neumática de sólidos, servicio de alimentos. Ventajas • Bajo costo. • Poco mantenimiento. • No hay obstrucciones o bolsas internas que la obstruyan. • Diseño sencillo. • No corrosiva y resistente a la abrasión. Desventajas • Aplicación limitada para vació. • Difícil de determinar el tamaño. Variaciones Camisa o cuerpo descubierto; camisa o cuerpo metálicos alojados. Materiales Caucho, caucho blanco, Hypalon, poliuretano, neopreno, neopreno blanco, Buna-N, Buna-S, Viton A, butilo, caucho de siliconas, TFE.

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Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Los tamaños grandes pueden requerir soportes encima o debajo de la tubería, si los soportes para el tubo son inadecuados. Especificaciones para el pedido • Presión de funcionamiento. • Temperatura de funcionamiento. • Materiales de la camisa. • Camisa descubierta o alojada. Válvulas de retención (check) y de desahogo (alivio) Hay dos categorías de válvulas y son para uso específico, más bien que para servicio general: válvulas de retención (check) y válvulas de desahogo (alivio). Al contrario de los otros tipos descritos, son válvulas de accionamiento automático, funcionan sin controles externos y dependen para su funcionamiento de sentido de circulación o de las presiones en el sistema de tubería. Como ambos tipos se utilizan en combinación con válvulas de control de circulación, la selección de la válvula, con frecuencia, se hace sobre la base de las condiciones para seleccionar la válvula de control de circulación. Válvulas de retención (check). La válvula de retención (fig. 1-8) esta destinada a impedir una inversión de la circulación. La circulación del líquido en el sentido deseado abre la válvula; al invertirse la circulación, se cierra. Hay tres tipos básicos de válvulas de retención: 1) válvulas de retención de columpio, 2) de elevación y 3) de mariposa. Válvulas de retención del columpio. Esta válvula tiene un disco embisagrado o de charnela que se abre por completo con la presión en la tubería y se cierra cuando se interrumpe la presión y empieza la circulación inversa. Hay dos diseños: uno en "Y" que tiene una abertura de acceso en el cuerpo para el esmerilado fácil del disco sin desmontar la válvula de la tubería y un tipo de circulación en línea recta que tiene anillos de asiento reemplazables. Recomendada para • Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación. • Cuando hay cambios poco frecuentes del sentido de circulación en la tubería. • Para servicio en tuberías que tienen válvulas de compuerta. • Para tuberías verticales que tienen circulación ascendente.

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Aplicaciones Para servicio con líquidos a baja velocidad. Ventajas • Puede estar por completo a la vista. • La turbulencia y las presiones dentro de la válvula son muy bajas. • El disco en "Y" se puede esmerilar sin desmontar la válvula de la tubería. Variaciones Válvulas de retención con disco inclinable. Materiales Cuerpo: bronce, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero fundido, acero inoxidable, acero al carbono. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento • En las tuberías verticales, la presión siempre debe estar debajo del asiento. • Si una válvula no corta el paso, examinar la superficie del asiento. • Si el asiento esta dañada o escoriado, se debe esmerilar o reemplazar. • Antes de volver a armar, limpiar con cuidado todas las piezas internas. Válvulas de retención de elevación Una válvula de retención de elevación ver figura 4.3.9 es similar a la válvula de globo, excepto que el disco se eleva con la presión normal e la tubería y se cierra por gravedad y la circulación inversa.

Figura 4.3.9 Válvula de retensión (tipo de elevación).

Recomendada para • Cuando hay cambios frecuentes de circulación en la tubería. • Para uso con válvulas de globo y angulares. • Para uso cuando la caída de presión a través de la válvula no es problema.

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Aplicaciones Tuberías para vapor de agua, aire, gas, agua y vapores con altas velocidades de circulación. Ventajas • Recorrido mínimo del disco a la posición de apertura total. • Acción rápida. Variaciones Tres tipos de cuerpos: horizontal, angular, vertical. Tipos con bola (esfera), pistón, bajo carga de resorte, retención para vapor. Materiales Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, PVC, Penton, grafito impenetrable, camisa de TFE. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento • La presión de la tubería debe estar debajo del asiento. • La válvula horizontal se instala en tuberías horizontales. • La válvula vertical se utiliza en tubos verticales con circulación ascendente, desde debajo del asiento. • Si hay fugas de la circulación inversa, examinar disco y asiento. Válvula de retención de mariposa Una válvula de retención de mariposa tiene un disco dividido embisagrado en un eje en el centro del disco, de modo que un sello flexible sujeto al disco este a 45° con el cuerpo de la válvula, cuando esta se encuentra cerrada. Luego, el disco solo se mueve una distancia corta desde el cuerpo hacia el centro de la válvula para abrir por completo. Recomendada para • Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación en la tubería. • Cuando hay cambios frecuentes en el sentido de la circulación. • Para uso con las válvulas de mariposa, macho, bola, diafragma o de apriete. Aplicaciones Servicio para líquidos o gases.

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Ventajas • El diseño del cuerpo se presta para la instalación de diversos tipos de camisas de asiento. • Menos costosa cuando se necesita resistencia a la corrosión. • Funcionamiento rápido. • La sencillez del diseño permite construirlas con diámetros grandes. • Se puede instalar virtualmente en cualquier posición. Variaciones Con camisa completa. Con asiento blando. Materiales Cuerpo: acero, acero inoxidable, titanio, aluminio, PVC, CPCB, polietileno, polipropileno, hierro fundido, Monel, bronce. Sello flexible: Buna-N, Viton, caucho de butilo, TFE, neopreno, Hypalon, uretano, Nordel, Tygon, caucho de siliconas. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento En las válvulas con camisa, esta se debe proteger contra daños durante el manejo. Comprobar que la válvula queda instalada de modo que la abra la circulación normal. Válvulas de desahogo (alivio) Una válvula de desahogo la representa la figura 4.3.10, es de acción automática para tener regulación automática de la presión. El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre con lentitud conforme aumenta la presión, para regularla. La válvula de seguridad es similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con un "salto" para descargar la presión excesiva ocasionada por gases o líquidos comprimibles. El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se determina mediante formulas especificas.

Figura 4.3.10 Válvula de desahogo (alivio).

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Recomendada para Sistemas en donde se necesita una gama predeterminada de presiones. Aplicaciones Agua caliente, vapor de agua, gases, vapores. Ventajas • Bajo costo. • No se requiere potencia auxiliar para la operación. Variaciones • Seguridad, desahogo de seguridad. • Construcción con diafragma para válvulas utilizadas en servicio corrosivo. Materiales Cuerpo: hierro fundido, acero al carbono, vidrio y TFE, bronce, latón, camisa de TFE, acero inoxidable, Hastelloy, Monel. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Se debe instalar de acuerdo con las disposiciones del Código ASME para recipientes de presión sin fuego. Se debe instalar en lugares de fácil acceso para inspección y mantenimiento. Válvula de orificio ajustable: El obturador de esta válvula consiste en una camisa de forma cilíndrica que esta perforada con dos orificios, uno de entrada y otro de salida y que gira mediante una palanca exterior accionada manualmente o por medio de un servomotor. El giro del obturador tapa parcial o totalmente las entradas y salidas de la válvula controlando así el caudal. La válvula incorpora además una tajadera cilíndrica que puede deslizar dentro de la camisa gracias a un macho roscado de accionamiento exterior. La tajadera puede así fijarse manualmente en una posición determinada para limitar el caudal máximo. La válvula es adecuada en los casos en que es necesario ajustar manualmente el caudal máximo del fluido, cuando el caudal puede variar entre límites amplios de forma intermitente o continua y cuando no se requiere un cierre estanco. Se utiliza para combustibles gaseosos o líquidos, vapor, aire comprimido y líquidos en general. Válvula de flujo axial: Las válvulas de flujo axial consisten en un diafragma accionado neumáticamente que mueve un pistón, el cual a su vez comprime un fluido hidráulico contra un obturador formado por un material elastómero. De este modo, el obturador se expansiona para cerrar el flujo anular del fluido. Este tipo de válvulas se emplea para gases y es especialmente silencioso. Otra variedad

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de la válvula de flujo axial es la válvula de manguito, que es accionada por compresión exterior del manguito a través de un fluido auxiliar a una presión superior a la del propio fluido. Se utiliza también para gases. 5.-Tópicos de control de procesos por computadora: 5.1 Control de procesos por computadora: Al tender los sistemas a evolucionar hacia una complejidad cada vez mayor, fue inevitable el intentar desarrollar un computador de gran capacidad que realizara la función de controlar todas las variables del proceso en una forma óptima. Este computador programable y para usos generales evolucionó en dos etapas: el control digital directo y el control supervisor. Estos computadores iniciaron la separación de la instrumentación analógica del mando directo del operador, pasando éste gradualmente a funciones de supervisión e interviniendo sólo en caso necesario al ser avisado por el computador. La decisión de instalación de un computador conectado al proceso se realizaba hace unos 10-15 años de acuerdo con múltiples factores de los cuales se exponen los siguientes:

* La planta debía tener una producción anual muy grande para que fuera factible obtener un pequeño porcentaje de mejora en su rendimiento que pudiera justificar la inversión grande que representaba la instalación de control por computadores. Actualmente los costos se han abaratado enormemente y las prestaciones han mejorado espectacularmente de modo que puede afirmarse que, a partir de unos 20-25 lazos, es más barata la adquisición de instrumentos de control digital que la de analógicos (neumáticos o electrónicos). * Que haya varias líneas del proceso muy importantes. Que el proceso cambie sus características internas con el tiempo, tal como en el caso de los coeficientes de transferencia del calor en un horno, en un intercambiador de calor, etc., donde se espera que la instalación de instrumentos convencionales dará menor rendimiento. * En procesos en desarrollo puede ser muy útil la instalación de un computador, puesto que permite realizar estudios de manera continua que facilitan su mejor diseño. 5.1.2 Monitoreo (Adquisición de datos): Dos de los componentes básicos de un sistema de control son los sensores y los transmisores cuya función es la adquisición de datos.

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Con los sensores y transmisores se realizan las operaciones de medición en el sistema de control, ver figura siguiente 5.1.2 (a) .

Figura 5.1.2a Obtención de señales y variables por control En el sensor se produce un fenómeno mecánico, eléctrico o similar, el cual se relaciona con la variable de proceso que se mide; el transmisor a su vez, convierte este fenómeno en una señal que se puede transmitir y, por lo tanto, ésta tiene relación con la variable de proceso. Estas señales de entrada procedentes del campo, que son utilizadas para realizan una acción de control pueden tener varios orígenes: 1.- Señales de tensión procedentes de:

• Termopares que se caracterizan por una f.e.m. pequeña que les hace sensibles al ruido eléctrico, no mantienen una linealidad entre la f.e.m. y la temperatura y necesitan una compensación de la unión fría.

• Reóstatos • Tacómetros • PH y conductividad.

2.- Señales de corriente procedentes de transmisores 3.- Variaciones de resistencia de sondas que se caracterizan por una relación no lineal con relación a la temperatura. A continuación se muestra un ejemplo: Un sensor de temperatura capta las señales del medio en el que se encuentra, relacionándolas con un voltaje que variará con las perturbaciones de temperatura. Para que este voltaje esté entre los rangos de operación necesarios, es requerido un circuito de acondicionamiento antes del microcontrolador, quien

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posee un software y hardware necesario para enviar y recibir datos a un computador servidor ver figura siguiente 5.1.2 (b).

Figura 5.1.2 b Circuito con microcontrolador para enviar y recibir de señales 5.1.3 Control supervisado: El control supervisorio nace como una mejora del control DDC. El control supervisorio ver figura 5.1.3, presenta una protección parcial utilizando estaciones de transferencia automático - manual colocadas fuera del computador y disponiendo de controladores analógicos adicionales en los lazos críticos. Sin embargo, para garantizar la ausencia total de fallos hay que utilizar más de unos computadores interconectados entre sí para que puedan sustituirse mutuamente en su función. Arquitectura de sistemas de Control Supervisado: • El computador calcula los valores de referencia de las variables a controlar y los devuelve al sistema. • Esta operación se lleva a cabo mediante un de-multiplexor.

Figura 5.1.3 Sistema de control supervisado

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Para alcanzar la máxima seguridad de funcionamiento y lograr la optimización idónea del proceso, el computador podría determinar los puntos de consigna más convenientes en cada instante, aplicarlos a los lazos de control situados dentro del propio computador o bien en el exterior en controladores individuales. Este tipo de control recibe el nombre de “control de puntos de consigna” o SPC (set point control), o bien control supervisorio. En paralelo con el bucle de control entre el transmisor y el controlador analógico, el computador calcula los puntos de consigna y los envía secuencialmente a cada instrumento. Si se presenta cualquier avería, el controlador regula la variable del proceso en el último punto de consigna que recibió del computador. Dentro del control supervisor se usa el término SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) significando el uso de un ordenador huésped (host) que usa los datos transmitidos desde el campo y presenta los resultados al operador para que actúe como supervisor e inicie alguna acción de control, y utiliza unidades remotas de transmisión situadas a largas distancias (kilómetros) del ordenador. Las unidades remotas de transmisión suelen ser <<inteligentes>>, por lo menos en los lazos críticos. Poco a poco, las funciones aportadas por los sistemas SCADA se han hecho semejantes al control distribuido, y la única diferencia reside en el tipo de circuito. SCADA transmite las señales a través de circuitos de baja velocidad y poco fiables para la integridad de los datos (líneas telefónicas y radio), mientras que el control distribuido lo hace mediante circuitos locales de alta velocidad y seguridad de transmisión. 5.1.4 Control Digital Directo (DDC): En el control digital directo que apareció hacia los años 60, el computador lleva a cabo todos los cálculos que realizaban individualmente los controladores P, P + I, P + I + D generando directamente las señales que van a las válvulas. Este tipo de control se denomina <<control digital directo>> o DDC (direct digital control) y realiza las siguientes funciones: a) explora las variables de entrada analógica o digital. b) las compara con los puntos de consigna e introduce la señal de error en el algoritmo de control correspondiente. c) envía las señales de salida a las válvulas de control del proceso. d) se disponen de instrumentos analógicos en paralelo con el computador en los puntos críticos y actúan como reserva en caso de fallo. En el control DDC, el computador está enlazado con el proceso. Las señales procedentes de los transmisores de campo se reúnen en una terminal y pasan a una unidad de filtrado y acondicionamiento donde son convertidas a señales digitales, para ser usadas en los cálculos posteriores de control.

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La figura 5.1.4(a) muestra los componentes del control digital directo.

Figura 5.1.4 a Componentes de un control DDC

Arquitectura de sistemas de Control Digital Directo (DDC) • Una vez introducidos los valores de las variables en el computador, a través del transductor ó elemento. Medida T, previamente convertidos en digitales mediante un conversor A/D si no lo son, se calculan las funciones de control mediante los algoritmos apropiados, y se obtienen las salidas que actúan sobre el sistema bien directamente o bien a través de un convertidor D/A y el correspondiente efector E.

Figura 5.1.4 b Sistema de control digital directo (DDC)

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El computador permite comprobar cada señal de entrada y compararla entre límites prefijados para detectar si sale fuera de estas magnitudes y determinar así, a través de la 1ógica del computador, las causas de la desviación iniciando una alarma o bien imprimiendo instrucciones para la operación de la planta. Por otro lado, el sistema DDC compara la señal enviada a la válvula de control con la de entrada y determine la aceptabilidad de la información para la acción de control. Si ésta no es aceptable se retiene la ú1tima posición de la válvula y el operador es prevenido, tomando el computador una acción de emergencia. De este modo, los límites de operación del proceso pueden estrecharse con seguridad de manera que éste puede llevarse a un punto de operación crítico sin problemas. El DDC permite una transferencia automático-manual sin perturbaciones y admite una fácil modificación de las acciones y de las configuraciones de los sistemas de control, lo cual es muy importante en la puesta en marcha de la planta. El DDC tiene la ventaja sobre los controladores convencionales de estar provisto de un calibrado automático que corresponde a las condiciones de operación instantáneas. Es decir, el computador ajusta la calibración de sus algoritmos de acuerdo con una función predeterminada de la variable medida o de una combinación de variables en lugar de requerir periódicamente la calibración individual de cada instrumento por un instrumentista o especialista en instrumentos, tal como ocurre en los instrumentos convencionales. El computador propiamente dicho admite la información de entrada del sistema proveniente de cintas o disquetes u otros tipos de soporte y almacena estos datos en una <memoria> conectada a una <unidad central de tratamiento> compuesta por una <unidad aritmética> y una sección de <control>; de esta última salen y entran los datos del proceso a través de la interfaz. La unidad de memoria almacena las instrucciones de programa y los datos empleados por la unidad central de tratamiento. Entre los diversos tipos de memoria empleados en los computadores de proceso se encuentran la memoria de núcleo magnético, apoyada por memorias de tambor o de disco. El tiempo de acceso en las memorias de tambor y de disco magnético es relativamente largo ya que es necesario que el tambor o el disco giren para que los cabezales se sitúen en el punto exacto de localización, y aunque la velocidad de giro sea elevada, del orden de varios miles de r.p.m., el tiempo de acceso es significativo. Por este motivo se utilizan generalmente como memorias auxiliares. La unidad central de tratamiento es el verdadero centro nervioso del computador al realizar por un lado las operaciones aritméticas y 1ógicas (unidad aritmética y lógica) y por el otro controlar el flujo de datos (unidad de control).

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La presentación de la información accesible al operador desde el computador puede adoptar varias formas:

- Teleimpresores e impresoras de alta velocidad.

- Pantalla de televisión que muestra a voluntad del operador el

estado operacional de la planta o de una sección de la misma, o bien de un bucle de control.

Entre las ventajas del sistema DDC figuran:

• Flexibilidad en el diseño del sistema de control, pudiéndose pasar fácilmente de una acción de control a otra, diseñar la ecuación de control que más convenga al proceso, y añadir cómodamente acciones de control en adelanto o en cascada.

• Rendimiento del control al trabajar muy

próximamente al punto óptimo de operación

• Seguridad al poder comprobar cada variable

entre unos límites prefijados. 5.2.- Control Distribuido: Antecedentes históricos: El control distribuido es el paso siguiente en la evolución de los sistemas de control que se han expuesto en el punto anterior. Así, en los sistemas centralizados, ya clásicos, su potencia de tratamiento se concentra en un único elemento (el ordenador central), mientras que en el control distribuido la potencia de tratamiento de la información se encuentra repartida en el espacio. Podríamos decir que los sistemas de control distribuido fueron desarrollados para proporcionar las ventajas del control por ordenador pero con más seguridad y flexibilidad. En los años setenta, dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a la resolución del problema del control electrónico de fábricas con gran número de lazos (variables), y teniendo en cuenta el estado de la técnica de los microprocesadores por un lado y la “fuerte inercia” de la industria a los cambios por otro, se llegó a las siguientes conclusiones generales:

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a) Descartar el empleo de un único ordenador (control DDC) por el serio inconveniente de la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de controlar individualmente un cierto número de variables, para así “distribuir” el riesgo del control único. b) Cada controlador digital debía ser “universal”, es decir, disponer de algoritmos de control seleccionables por software, que permitieran resolver todas las situaciones de control y dieran así versatilidad al sistema. c) La velocidad en la adquisición de los datos y su salida hacia los actuadores debía ser en “tiempo real”, lo que obligaba a utilizar la tecnología más avanzada en microprocesadores. d) Para comunicar entre si los transmisores electrónicos de campo (que suministran datos), los controladores y las interfaces para la comunicación con el operador de planta, se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones, en forma de cable coaxial instalado en la planta, con un recorrido paralelo a los edificios y a la sala de control. e) El panel clásico requerido por el control tradicional, se sustituirá por uno o varios monitores CRT, en los cuales, el operador con la ayuda del teclado/puntero deberá examinar las variables de proceso, las características de control, las alarmas, etc., sin perturbar el control de la planta y con la opción de cambiar cualquiera de las características de control de las variables de proceso. Como resultado de estos esfuerzos, el primer Control Distribuido para la industria apareció en noviembre de 1975, bajo el nombre de TDC 2000 y pertenecía a la casa Honeywell. En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clásico puede compararse a la existente entre una máquina cuya configuración se hace mediante el cambio de cables y otra donde cualquier modificación se hace por software. En este aspecto el ordenador personal es un elemento fundamental, tanto a nivel de planta como en escalafones superiores y permite la visualización de las señales de múltiples transmisores, el diagnóstico de cada lazo de control, el acceso a los datos básicos de calibración y a los datos de configuración de los transmisores. Asociando todas las ideas que se han expresado hasta ahora en este punto, podemos obtener una primera aproximación de lo que sería un esquema básico que vincule los diferentes elementos que forman un control distribuido.

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Tal esquema podría ser el mostrado en la figura 5.2.1 y cuya descripción de los componentes que lo forman pasamos a ver.

Figura 5.2.1 estructura y componentes de un control distribuido básico

Sistema DCS (Sistema de control distribuido): Este sistema proporciona una trayectoria de comunicación individual entre cada controlador y la estación con el operador se mantiene en un alto grado de aislamiento y facilidad de sustitución entre los componentes. Los datos de control básicos pueden trasferirse a través de la estación con operador o por medio de una conexión redundante de medición. Todas las órdenes o instrucciones emitidas por la estación con operador son devueltas a cada operador para permitirle la actualización del estado de las mismas. No es necesario contar con destinos y códigos de fuentes, puesto que las direcciones son determinadas por la conexión con cables. SECCIONES Y NIVELES QUE FORMAN UN CONTROL DISTRIBUIDO: Combinando los conceptos de lazo de control y comunicaciones industriales, un sistema de control distribuido (DCS) consta de uno o más “niveles” de control, los cuales, están vinculados con el fin de ejecutar conjuntamente tareas complejas con un máximo de efectividad y una elevada optimización en el uso de los recursos. En la figura 5.2.2 se muestra la relación existente entre los diferentes niveles de un DCS, sobre los cuales sería interesante hacer la siguiente precisión: en su definición original (clásica) eran los niveles 1, 2 y 3 los que realmente formaban el DCS, estando el restante (4) más vinculado al sistema de gestión de la empresa. Sin embargo, hoy en día, cuando se habla de control distribuido se está haciendo referencia a la totalidad de la figura 5.2.2 de ahí que se tienda a utilizar cada vez más el nombre de sistemas de información total.

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En los niveles inferiores de un control distribuido estarán aquellos elementos que están en contacto con el proceso y, por tanto, ajustados a los parámetros y variables que el proceso suministra y que el DCS debe controlar.

Fig. 5.2.2 Niveles, conexiones y elementos que intervienen

en un sistema de control distribuido (DCS). En los niveles superiores, los ordenadores, estaciones de trabajo e incluso los autómatas pueden llevar a cabo funciones adicionales tales como: concentración de datos, análisis y optimización de unidades (plantas o divisiones corporativas con cierto grado de autonomía) del proceso. La adición de algún otro nivel al DCS puede también ayudar a integrar actividades relacionadas con una división o una planta, tal como compras, recepción de material, control de inventario, facturación, control de calidad y servicios al cliente o usuario. Los sistemas de control distribuido multinivel poseen todas las posibilidades de un sistema de control centralizado, mientras conservan la flexibilidad, seguridad y rapidez de respuesta de los controladores autónomos basados en microprocesadores. Por ejemplo, el fallo de cualquier componente de un DCS afecta sólo a una pequeña parte del proceso, si acaso. Por otro lado, si un elemento de un nivel superior falla, los controladores del NIVEL 1 continuarán el control del proceso normalmente, entendiendo por normalidad la ejecución de la última labor encomendada (programada). A diferencia de un sistema centralizado, sólo el NIVEL 1 debe estar conectado a las entradas y salidas del proceso. Un bus de datos sirve para la comunicación entre los controladores y la interfase del operador. Esta distribución física en varios niveles de control puede reducir significativamente el coste del cableado y las modificaciones y mantenimiento pueden llevarse a cabo sin interrumpir el proceso. Inclusive, los DCS son fácilmente ampliables. Cualquier dispositivo que haya de añadirse se comunica con otros dispositivos ya instalados en el mismo

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lugar. Esta modularidad proporciona una significativa mejora de costes durante todas las fases de un plan de automatización. ELEMENTOS QUE PARTICIPAN EN CADA NIVEL: Si bien hay una cierta difuminación en las fronteras que separan los distintos niveles de un DCS, todavía se pueden enclavar ciertos elementos o componentes en determinados niveles, pues son característicos de ellos. En todo caso, no se puede cerrar un nivel con los elementos que se van a incluir en cada uno de ellos en los siguientes párrafos, dejando siempre abierta la posibilidad de una nueva incorporación, reflejando de este modo el carácter abierto y flexible que debe rodear a todo DCS. NIVEL 1: Este nivel es el denominado de planta o proceso y es el que físicamente se encuentra en contacto con el entorno a controlar, tal como su nombre indica. Para maximizar los beneficios de un DCS, en este nivel se utilizan sensores, actuadores y módulos de E/S de los denominados “inteligentes” y que generalmente están basados en microprocesadores (regulación digital). Este tipo de elementos son muy flexibles, permitiendo modificar tanto el control como los cambios requeridos en el proceso, además de ofrecer una fácil ampliación en caso necesario. Inclusive, los módulos de E/S pueden manejar varios lazos de control, ejecutar algoritmos específicos, proporcionar alarmas, llevar a cabo secuencias lógicas y algunos cálculos y estrategias de control altamente interactivas. Los sensores, transductores, actuadores y demás instrumentos de análisis incluidos en el NIVEL 1, se encargan de comunicar las condiciones del proceso al sistema de control por un lado, y por otro, ajustan el proceso de acuerdo con las órdenes recibidas desde el sistema de control, del mismo nivel o superior. En el primer caso tendríamos los sensores y transductores e instrumental de campo y en el segundo los actuadores. La coordinación de todos estos elementos se hace, bien mediante un bus de campo, bien mediante un bus de dispositivos. La conexión de los actuadores y sensores al resto del DCS se hará directamente al bus de comunicación o a los módulos de E/S, dependiendo de las posibilidades de comunicación que posean. A su vez, los módulos de E/S pueden ser unidades de pequeños autómatas, siendo estos los que integrarán las comunicaciones necesarias. La instalación de todo lo relacionado con este nivel de control se lleva a cabo por personal altamente especializado, ya que el mismo elemento (sobre todo transductores y actuadores) unos centímetros adelante o atrás no mide o actúa con igual fidelidad. Estos componentes, sobre todo los transductores, son muy sensibles y precisan unas condiciones de trabajo muy definidas, por lo tanto es fundamental elegir el dispositivo adecuado para evitar multitud de problemas “sin lógica aparente”.

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NIVEL 2: Suele denominarse generalmente de control y regulación. En este nivel se encuentra la interface de operaciones de cada uno de los procesos controlados. La interface de operaciones o consola será una estación tipo ordenador personal, ya que constará de teclado, unidad de visualización y puntero. Esta interface permite al operador observar el estado del proceso y programar los elementos vinculados a él, individualmente si ello es necesario. Los autómatas (PLC’s) ubicados en este nivel suelen ser de prestaciones más elevadas, dotados de módulos de comunicaciones industriales (buses de campo), además de sus funcionalidades características. Por otro lado, los ordenadores irán equipados con tarjetas a modo de interface, que permitirán la relación adecuada con el entorno. Ambos equipos “extraen” los datos más significativos del nivel inferior mediante los puentes de comunicaciones adecuados (gateway o bridge) y los ponen a disposición de la interface de operaciones. La interface de operaciones permite al operador ver datos del proceso en cualquier formato. Los formatos pueden incluir una visión global del estado del proceso, representaciones gráficas de los elementos o equipos de proceso, tendencias de las variables, estado de alarmas y cualquier otro tipo de información. El operador usa el teclado/puntero para dirigir los controladores, requerir información del proceso, ejecutar estrategias de control y generar informes de operación. Esta interfase se ubica físicamente cerca del proceso o procesos controlados. En este segundo nivel nos encontramos con las celdas o células, vinculadas a los diferentes procesos (cada una a uno, normalmente) y en ellas se pueden producir los primeros descartes de productos a raíz de las anomalías detectadas. Los niveles 1 y 2 tienden a integrarse cada vez más en uno solo: control y regulación en planta. Ello es debido, principalmente a que los elementos de campo (NIVEL 1) son cada vez más sofisticados, arrebatando el campo a los controladores del NIVEL 2, ya que algunos de ellos además de incluir varios elementos a la vez (transductor, acondicionador, regulación digital), posee una interfase lo suficientemente potente como para comunicar directamente con niveles superiores. De hecho, la consola de operaciones del NIVEL 2 puede ser usada para interrogar o dirigir un controlador inteligente del NIVEL 1. Esta combinación de inteligencia, controladores independientes e interfase de operador, proporciona la seguridad, velocidad, potencia y flexibilidad que es la esencia de un DCS. NIVEL 3: Este nivel es el conocido como de mando de grupos y en él se sitúa la denominada en su día “interfase del ingeniero” y que hoy en día suele conocerse como “interfase para el control de la línea de producción”.

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Esta interfase (con cualquiera de sus nombres) de un DCS facilita la coordinación de las diferentes células existentes en el nivel inferior, a la vez que supervisa y controla toda una área, permitiendo obtener una visión más amplia de lo que se está ejecutando en la planta. También proporciona información importante a los ingenieros después de la instalación y puesta en marcha del sistema. Para mejorar la productividad, una “interfase de ingeniero” deberá ser fácil de usar, rápida y eficiente. Menús de operaciones y bases de datos ayudan a mejorar el uso y la productividad. De ahí que en este nivel se incluyan, sobre todo, ordenadores con software muy específico. En este nivel se produce también un análisis pormenorizado de los datos generados en niveles inferiores y se producen los descartes definitivos. Además se aplican los criterios más exigentes de control de calidad y se planifica la producción a medio y corto plazo. En el NIVEL 3 de un sistema de control distribuido se produce la primera centralización, entendiendo por ello la concentración masiva de información, gracias a lo cual se pueden planificar estrategias sofisticadas en lo que a la producción industrial se refiere. Así, en este nivel se deciden aspectos productivos tan importantes como entrada y salida de materiales, es decir, la logística de aprovisionamiento. NIVEL 4: Es el nivel de dirección de la producción. En este nivel se define la estrategia de la producción en relación con el análisis de las necesidades del mercado y se formulan previsiones de producción a largo plazo. Sobre estas previsiones, se planifica la producción en el NIVEL 3. En este cuarto nivel se utilizan estaciones de trabajo, que permiten simular estrategias de producción e intercambiar datos con otros departamentos vinculados (diseño, I+D, etc), además de establecer posibles cambios en ingenierías de los procesos. Es un nivel con enfoques más mercantiles, por lo que no profundizaremos más en él y tan sólo añadiremos que los ordenadores en este nivel están especializados en gestión y almacenamiento de datos, además de estar vinculados mediante la red de comunicación correspondiente a sus respectivas aplicaciones. COMUNICACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES NIVELES: Como se ha podido ver a lo largo de los puntos desarrollados hasta aquí, los sistemas de control distribuido (DCS) dependen de la comunicación entre los diferentes equipos y dispositivos, situados en muchos casos en varios niveles de control.

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Cualquier nivel debe ser capaz de interrogar y dirigir dispositivos de niveles inferiores y comunicarse eficazmente con dispositivos situados al mismo o superior nivel. Con todo ello, lo que se pretende es dar la “sensación” de que todos los componentes de un DCS están conectados sobre una única vía de comunicación (ver figura 5.2.3), aunque en la realidad se haga uso de gateways que comunican los distintos niveles y elementos.

Fig. 5.2.3 El DCS debe aparecer como un conjunto de

elementos perfectamente comunicados

Un sistema de control distribuido no tiene por qué constar siempre de la estructura de cuatro niveles comentada anteriormente, ya que su complejidad dependerá, esencialmente, de los procesos a controlar y de la complejidad de estos. El utilizar una o varias rutas de datos (redes de comunicación industrial) va a estar condicionado por los aspectos comentados anteriormente y cuestiones tan obvias como la antigüedad de los equipos que deben coexistir, ámbito de cobertura del DCS, grado de automatización de la planta, etc. En todo caso, no debemos olvidar las ventajas de enlazar todos estos equipos en lo que constituye un DCS (o también denominado a veces CIM, sistema de fabricación integrada) y que son, esencialmente, las siguientes: A) Posibilidad de intercambio de información entre equipos y módulos electrónicos que controlan fases sucesivas de un mismo proceso global. B) Facilidad de comunicación hombre-máquina, a base de terminales inteligentes (PC’s) que permiten programar u observar el proceso en términos de lenguaje muy próximo al humano. El sistema admite la observación y la intervención del operador humano en forma interactiva a través de un terminal con teclado y pantalla que sustituyen al ya obsoleto sinóptico. C) Adquisición de datos de sensores y procesamiento de los mismos con vistas al control de calidad, gestión, estadística u otros propósitos. D) Facilidad de cambios, o lo que es lo mismo, flexibilidad de las células de fabricación para adaptarse a la evolución y a la diversificación de los productos. Como ejemplo típico basta pensar en la industria del automóvil, sometida a una continua evolución de modelos y variantes. La poca facilidad de cambios haría cuestionar el nombre de “células flexibles” que se da a estas estructuras.

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E) Posibilidad de utilizar lenguajes de alto nivel, que permitan tratar bajo un mismo entorno todas y cada una de las islas automatizadas, desde la fase de diseño (CAD/CAE) hasta la fase de explotación y gestión. La clave para llegar a obtener todas estas ventajas está en un sistema de comunicación potente y robusto, a la vez que flexible, que permita integrar en él productos de cualquier fabricante, siempre que cumpla con alguno de los estándares abiertos. Aparte de los sistemas de comunicación específicamente industriales, las redes de área local tienen mucho que decir en éste sentido. a) Arquitectura básica Los componentes de la arquitectura básica del Control Distribuido son: * El ordenador personal también incorporado al control distribuido. Permite la visualización de las señales de múltiples transmisores, el diagnóstico de cada lazo de transmisión, el acceso a los datos básicos de calibraci6n y a los datos de configuración de los transmisores. * El controlador básico del sistema es un microprocesador que proporciona los clásicos controles PID y otros algoritmos de control. Es apto para el manejo de 8 lazos que proporciona, entre otros, los siguientes algoritmos de control: * Salida manual * PID normal * PID con ajuste externo del punto de consigna * PID con control anticipativo (feedforward) * Adelanto-retardo * Sumador * Multiplicador-Divisor * Relación * Extracción de raíz cuadrada * Rampas programadas (temperatura en procesos discontinuos) Contador Estos algoritmos pueden configurarse definiéndose de este modo, el último modo de control a retener en caso de avería, las unidades de ingeniería (tipo de termopar, termoresistencia....), la acción de control (directa, inversa), el tipo de señal de entrada (lineal, raíz cuadrada,...), las alarmas, etc. * El controlador multifunción que, al utilizar en su programación un lenguaje de alto nivel, se asemeja a un ordenador personal, proporciona las funciones de control 1ógico que permiten regular un proceso discontinuo (batch control), y el manejo de procesos complejos, en los que el controlador básico está limitado. * Tal es el caso del control de una columna de destilación donde el control es dinámico, y es necesario realizar cálculos en <tiempo real> sobre las ecuaciones de equilibrio entre el reflujo interno y el reflujo externo en cabeza de la columna. Otros casos típicos son la manipulación de reactores en condiciones anormales, el precalentamiento de líquidos de alimentación de procesos mediante la creación matemática de modelos, etc.

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* El control secuencial enlaza el control analógico (modulante con posiciones que varían continuamente en la válvula de control) con el control 1ógico. Por ejemplo, el arranque y el paro de una caldera de vapor deben hacerse de modo secuencial para eliminar totalmente el riesgo de una explosión que ocurriría si, en el peor de los casos, entrara agua en la caldera con el nivel muy bajo y con los tubos del serpentín al rojo. * El control secuencial se realiza con un conjunto de instrucciones o sentencias, parecidas a programas de ordenador, que establecen en el tiempo los puntos de ajuste de cada elemento para que tenga lugar la secuencia deseada. El lenguaje empleado es de alto nivel, parecido al BASIC, y orientado al usuario del ordenador personal, por lo que es fácil de escribir y de interpretar. * En el control discontinue (batch control) es usual automatizar la entrada de ingredientes, en particular en la industria farmacéutica, definiendo su naturaleza y cantidades en lo que se llama la fórmula (recipe). Debido a que se fabrican muchos productos diferentes en la misma unidad de fabricación, es necesario que el equipo de control sea versátil para satisfacer la gran variedad de formulas (recipes) que pueden presentarse. * La práctica usual es disponer de un programa de la fórmula principal grabado en diskette, y modificar ésta dinámicamente de acuerdo con los datos de la fórmula, las fases del proceso discontinuo y el tiempo estimado de ejecución de la operación. Los controladores programables sustituyen a los relés convencionales utilizados en la industria. En lugar de disponer de pulsadores y relés para los circuitos de enclavamiento y para el accionamiento de los motores de la planta, con el correspondiente panel o cuadro de mandos y con los consiguientes cables de conexión, voluminosos y caros, el controlador programable aporta la solución versátil, práctica y elegante del software en un lenguaje especial, basado en la 1ógica de relés. El teclado del controlador dispone de símbolos que representan la lógica de los contactos: NA (normalmente abierto), NC (normalmente cerrado), Temporización ON u OFF, Contador, Constante, etc. De este modo, pueden desarrollarse programas que representen cualquier circuito de enclavamiento, y comprobarlos con un simulador de contactos, antes de acoplar el controlador programable a la planta. La estación del operador proporciona la comunicación con todas las señales de la planta para el operador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento. La presentación de la información a cada uno de ellos, se realiza mediante programas de operación. De este modo: 1. El operador de proceso ve en la pantalla (o pantallas) un gráfico o gráficos del proceso que le interesa, y puede manipular las variables deseadas, las alarmas, las curvas de tendencia, etc. Puede archivar datos históricos de la planta que crea interesantes, obtener copias en impresora de las tendencias, el estado de las alarmas, etc.

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2. El ingeniero de proceso puede editar programas del proceso, construir las representaciones en la pantalla de partes del proceso, etc. 3. El técnico de mantenimiento puede fundamentalmente diagnosticar y resolver problemas en los elementos de control distribuido de la planta. El computador permite implementar los programas de aplicación de los usuarios, destinados a obtener información determinada de la planta, y procesarla con objeto de analizarla más adelante. El sistema se presta a optimizar variables, hacer cálculos especiales o complejos sobre balance de energía o de consumo de materias primas de la planta, y a confeccionar <<rapports>> especiales. Por otro lado, el computador puede comunicarse con otros ordenadores de mayor capacidad para obtener información sobre el consumo de materias primas, sobre los factores que influyen en la producción y en su rendimiento, y sobre los datos analíticos que se utilicen en la optimización de la planta. Y, como es 1ógico, esta información actual obtenida del proceso es accesible a la dirección, que puede utilizarla para el control de costos de la planta. El lenguaje utilizado suele ser de alto nivel, Fortran 77, Pascal y C. Se desarrollan programas que permiten utilizar el control distribuido de manera óptima para mejorar la productividad de la fábrica y minimizar los costes. Entre estos programas se encuentran:

- Monitorización y control de turbinas generadoras - Mezclas en refinerías y en la industria del papel - Autoajuste de lazos de control - Librería de gráficos para la construcción de diagramas

de flujo - Control de calderas de vapor

La tendencia del computador es a generar cada vez más información, la que debe ser transmitida rápidamente dentro de la planta, y a veces en tiempo real. Esta información es manejada por los llamados periféricos del ordenador. Estos periféricos deben trabajar a la misma velocidad que los sistemas basados en los procesadores 286 y 386. Entre ellos se encuentran memorias magnéticas de 40, 80, 240 Mbytes, memorias láser de 1 Gbyte, memorias ópticas de 40 Gbytes, impresoras rápidas con escritura de alta calidad, etc. Las alarmas son importantes en el control de procesos. Existen alarmas de alto y bajo valor de la variable, alarmas de desviación entre el punto de consigna y la variable controlada, alarmas de tendencia que actúan si la variación de la variable excede de un valor prefijado, alarmas de estado de la señal de entrada o de salida, etc. Conviene evitar la instalación de un número excesivo de alarmas, ya que el operador se ve obligado a silenciarlas apretando el pulsador correspondiente y, además, le predisponen a no prestarles atención. Los casos en que la alarma actúa demasiadas veces durante el día son debidos a un mal diseño o a una

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condición del proceso que hay que corregir. Por ejemplo, una alarma de nivel de flotador situada en un tanque con agitador, en el cual no existan dispositivos de barrera contra las olas formadas en la superficie, estará actuando intermitentemente cuando el nivel alcance justamente al flotador. La solución a este caso y a otros parecidos es la llamada alarma <<inteligente>> que actúa siguiendo la 1ógica del circuito. En el ejemplo anterior, el sistema dispondría de un circuito 1ógico que, después de la primera alarma, comprobaría si el nivel bajaba y se separaba en un valor mínimo de la posición del flotador, y si éste no fuese el caso no actuaría por considerar que la situación no es una condición anormal. El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación a los sistemas convencionales de control. Tal como se ha indicado, los transmisores disponen de un sistema de autocalibración y diagnóstico de averías que permite al personal de mantenimiento localizarlas y resolverlas rápidamente, en caso de que se produzcan. El sistema es redundante y puede considerarse como una (Inteligencia distribuida) que, en forma parecida a la humana, limita las consecuencias de un fallo, manteniendo el control del sistema. Desde el punto de vista de la fiabilidad del equipo, el numero de horas/fallo de los elementos de un sistema de control distribuido es considerable y varía en régimen permanente y a la temperatura de 25oC desde 10,000 horas/fallo en los controladores básicos hasta 220,000 horas/fallo en la vía de comunicaciones (cable coaxial), y este tiempo sigue creciendo con las nuevas técnicas de fabricación que se van incorporando a la industria. Otro parámetro interesante es la llamada disponibilidad, es decir, la fracción de tiempo que el sistema es operable. Por ejemplo, una disponibilidad de 90 % significa que el sistema trabaja el 90 % del tiempo, mientras que el 10 % restante esta en reparación. Pues bien, en los sistemas de control distribuido, la disponibilidad típica varía desde 99.2 hasta 99.9 %, dependiendo de la bondad del equipo, de la existencia de piezas de recambio criticas y del mantenimiento. Por lo tanto, si el usuario dispone en la planta de dichas piezas, y ha contratado un buen mantenimiento, la seguridad de funcionamiento es clara. Cabe pues afirmar que los sistemas de control distribuido se han consolidado en el mercado industrial como los sistemas ideales de control y, hoy en día, sus ventajas son tan claras que, al estudiar la instrumentación y el control de una nueva fabrica o la reforma de una antigua, es inimaginable no considerarlos como posibles opciones de elección. Los sistemas electrónicos, al usar la lógica binaria, presentan la ventaja de poder aplicarse y ser compatibles tanto para producción a gran escala como en la fabricación de un número pequeño de unidades (procesos de fabricación <<batch>> o por lotes). El coste del equipo electrónico disminuye de forma continua, el software continúa su creciente desarrollo, y la presión económica que induce a la automatización se mantiene, por lo cual es de esperar que se ampliara la difusión de la automatización en los próximos años.

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b) Fundamentos En los años setenta, dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a la resolución del problema del control de fábricas con gran número de lazos, y teniendo en cuenta el estado de la técnica de los microprocesadores y la característica (conservadora) de la industrial se llegó a las siguientes conclusiones generales: 1. Descartar el empleo de un único ordenador (control DDC) por el serio inconveniente de la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de controlar individualmente un cierto número de variables, para así <<distribuir>> el riesgo del control único. 2. Cada controlador digital debía ser (universal), es decir, disponer de algoritmos de control seleccionables por software, que permitieran resolver todas las situaciones de control y dieran así versatilidad al sistema. (De este modo, un solo controlador digital podía efectuar un control P, o PI, o PID, o de relación, o en cascada,....) 3. La velocidad en la adquisición de los datos y su salida hacia las válvulas de control debía ser en (tiempo real), lo que obligaba a utilizar microprocesadores de 16 bits (que en los años setenta eran comercialmente una novedad). 4. Para comunicar entre sí los transmisores electrónicos de campo, los controladores y las interfaces para la comunicación con el operador de la planta, se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones, en forma de cable coaxial instalado en la planta, con un recorrido paralelo a los edificios y a la sala de control. 5. Para eliminar el espacio de panel requerido por el control clásico, se adoptó el uso de uno o varios monitores TRC, en los cuales, el operador, a través del teclado, debía examinar las variables de proceso, las características de control, las alarmas, etc., sin perturbar el control de la planta, y con la opción de cambiar cualesquiera características de control de las variables del proceso. Como resultado de estos esfuerzos, el primer (control distribuido) para la industria apareció en noviembre de 1975 (TDC 2000 de Honeywell). En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clásico puede compararse a la existencia entre el primer ordenador, el ENIAC, que se configuraba cambiando cables, y el actual ordenador personal donde los cables existen (electrónicamente) configurados por el programa escrito (software) que se ejecuta. c).- Sistemas Comerciales Existentes: Algunos se los sistemas comerciales más reconocidos existentes en el mercado son los siguientes:

- Honeywell Instrumentation. - Fisher Controls. - Masoneilan división. - Taylor Instrument Co.

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- Rosemount, Inc. - Foxboro Co.

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Conclusiones El gran avance tecnológico que ha sufrido el campo de la instrumentación electrónica programable y virtual ha dado origen a un gran número de arquitecturas, estándares y soluciones software para incrementar la potencialidad en la adquisición, procesamiento y presentación de los resultados en entornos industriales, mediante el diseño de sistemas de instrumentación complejos. A pesar de dicho avance, el protocolo de comunicaciones con mayor demanda es el GPIB, debido principalmente a la gran diversidad de soluciones hardware y software en el mercado, al conocimiento del protocolo de comunicaciones y al respaldo que le representa su estandarización.

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