Instrumentacin y control de procesos - ? dos tipos comunes de dispositivos medidores: el detector

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Instrumentacin y control de procesos Control de proceso de temperatura ~3~r;u6~~~el estudiante 11I1I11111111'lm~fflmlflillil1r111ll11111l11 3 o 3 3 3 3 6 o 2 o 5 o 2 ' INSTRUMENTACiN Y CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE PROCESO DE TEMPERATURA por el personal de Lab-Volt (Quebec) Ltda. Copyright 2005 Lab-Volt Ltda. Todos los derechos reservados. Ninguna parte de esta publica-cin puede ser reproducida, de ninguna forma ni por ningn medio, sin la previa autorizacin escrita de Lab-Volt Quebec Ltda. Depsito legal - Primer trimestre de 2005 ISBN 2-89289-764-5 PRIMERA EDICiN, FEBRERO DE 2005 Impreso en Canad Febrero de 2005 Prlogo El creciente uso del control de procesos en la industria, surge de la necesidad de lograr medios de produccin rpidos y a bajo costo que mejoren la calidad, disminuyan el desperdicio y aumenten el rendimiento. El control de procesos provee muchas otras ventajas, tales como una alta confiabilidad y precisin a un bajo costo. Gracias a la informtica, los controladores son ms eficientes y sofisticados que antes. Para trabajar y detectar fallas de manera exitosa en los sistemas de control de procesos, se requiere una capacitacin efectiva en los mismos. El objetivo de este curso es ensear cmo medir y controlar los procesos de temperatura, con el uso del Sistema didctico en control de procesos de Lab-Volt, modelo 6090. El curso ensea los principios de operacin de los dispositivos comunes usados para la medicin de temperatura. Adems, los estudiantes obtienen una amplia experiencia en el reglaje de los procesos de temperatura en lazo cerrado, mediante el uso de mtodos industriales encontrados frecuentemente. Los procesos de temperatura del sistema didctico se pueden controlar usando el Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM), modelo 3674, o cualquier otro controlador PI D convencional que sea compatible con seales de 0-5 Vade 4-20 mA. Para mayor simplicidad, los ejercicios del manual han sido escritos para un controlador que trabaja con seales de 0-5 V, que es el caso del controlador LVPROSIM. El apndice F del manual resume las caractersticas esenciales del Software de simulacin y de control de procesos (L VPROSI M) y puede,usarSe como referencia rpida si el controlador usado es el LVPROSIM. El manuarde Lab-Volt Fundamen-tos del control de procesos usando el programa L VPROSIM (N/P 30884-02) tambin se puede usar como referencia. La gua del profesor Control de proceso de temperatura (nmero de parte 33336-12) de Lab-Volt, provee las respuestas a todos los pasos del procedimiento y a las preguntas de revisin encontradas en cada ejercicio de este manual. 111 IV ndice Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. VII Unidad 1 Introduccin al control de procesos de temperatura ... . .. 1-1 Definicin de energa trmica y temperatura. Principios bsicos de la transferencia de energa trmica (calor). Mecanismos de transferencia de energa trmica: conduccin, conveccin y radiacin. Ej. 1-1 Familiarizacin con el sistema didctico . ........ 1-5 Los modos de control de procesos de temper;1tura: calefac-cin y refrigeracin. Familiarizacin con los componentes del Sistema didctico en control de procesos que son utilizados para la medicin y control de la temperatura. Unidad 2 Medicin de temperatura . ... .... ......... . ........... 2-1 Escalas de temperatura. Conversin entre Celsius y Fahrenheit. Tipos de dispositivos de medicin de temperatura utilizados comnmente en procesos industriales. Caractersticas estticas y dinmicas de dispositivos de medicin de temperatura. Ej. 2-1 Detectores de temperatura resistiv9s (DTR) .. .... 2-9 Construccin y funcionamiento de los DTR. Comparacin de las relaciones entre resistencia y temperatura de los tipos de OTR ms comunes. Resistencia nominal, coeficiente de temperatura y sensibilidad. Medicin del voltaje producido por un DTR con un puente Wheatstone. Ej. 2-2 Termopares .. ........ ..... ........ . ... .. . . 2-31 El efecto Seebeck. Construccin y funcionamiento de los termopares. Comparacin de las relaciones entre voltaje y temperatura de los tipos de termopares ms comunes. Compensacin de la juntura en fro. Sensibilidad del termopar ante el ruido. Ej. 2-3 Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2-45 Medicin de energa trmica. Capacidad trmica especfica. Conversin de energa en un proceso de temperatura. Equilibrio de energa trmica. Determinacin de la tasa a la cual el agua gana o pierde energa trmica en un proceso de temperatura en equilibrio trmico. v VI ndice (cont.) Unidad 3 Caracterizacin de procesos de temperatura . . ... .. . ..... 3-1 Los mtodos de Ziegler-Nichols y 28,3%-63,2% para la caracterizacin de procesos. Ej. 3-1 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin ........ . . . ............ 3-7 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin usando el mtodo de Ziegler-Nichols para la caracterizacin de procesos. Ej. 3-2 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin .................... . 3-17 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin usando el mtodo 28,3%-63,2% para la caracte-rizacin de procesos. Unidad 4 Control PI de procesos de temperatura . ... . . . ... . . .. . ... 4-1 Control de temperatura en los modos de calefaccin y refrigeracin, en un proceso de conversin qumica. Ej. 4-1 Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin ... . ......... .... ...... .. 4-5 Repaso de los principios del mtodo del periodo ltimo para el reglaje del controlador PI. Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin. Ej. 4-2 Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin ... . .................. . 4-19 Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin. Clculo y reglaje de las constantes P e I del controlador, basndose en las caractersticas del proceso medidas en el ejercicio 3-2 con el mtodo 28,3%-63,2% para la caracterizacin de procesos. Apndices A Tabla de utilizacin de los equipos ..... .. ......... A-1 Bibliografa B Diagramas de conexin ......................... B-1 C Smbolos de instrumentacin I.S.A (Significado de los cdigos de letra usados en nmeros identificadores) .. C-1 D Gua de seleccin para los elementos medidores de temperatura ....................... D-1 E Factores de conversin . ........................ E-1 F Uso del Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) ............. . . F-1 Nosotros valoramos su opinin! Introduccin Este manual provee capacitacin en la medicin y control de procesos de temperatura en los modos de calefaccin y de refrigeracin. El manual est dividido en cuatro unidades: La unidad 1 presenta a los estudiantes los componentes del Sistema didctico en control de procesos que se utilizan para el control de procesos de tempera-tura. La unidad 2 expone lo relativo a la medicin en procesos de temperatura con dos tipos comunes de dispositivos medidores: el detector de temperatura resistivo (DTR) y el termopar. Esta unidad tambin presenta a los estudiantes los principios de la transferencia de energa trmica y del equilibrio trmico en un proceso de temperatura. La unidad 3 expone la caracterizacin de procesos de temperatura en los modos de calefaccin y de refrigeracin, usando el mtodo de respuesta escaln en lazo abierto. La unidad 4 presenta el control PI en procesos de temperatura en los modos de calefaccin y de refrigeracin. Los ejercicios en cada unidad suministran medios sistemticos y realistas para el aprendizaje del tema de estudio. Cada ejercicio contiene Unos Objetivos del ejercicio claramente definidos; Unos Principios de la teora correspondiente; Un Resumen del procedimiento que establece un puente entre los Principios tericos y el Procedimiento de laboratorio. Un Procedimiento de laboratorio detallado paso a paso en el cual el estudiante realiza las manipulaciones y observa o mide los fenmenos importantes. Las figuras facilitan la conexin del sistema y pueden guiar las observaciones del estudiante. Unas tablas bien organizadas facilitan la realizacin de los clculos. Las preguntas orientan el proceso de aprendizaje del estudiante y facilitan el entendimiento de los principios abarcados. Una Conclusin para confirmar que los objetivos han sido alcanzados. Unas Preguntas de revisin que verifican que el material ha sido bien asimilado. VII VIII Unidad 1 Introduccin al control de procesos de temperatura OBJETIVO DE LA UNIDAD Cuando complete esta unidad, estar familiarizado Coh los componentes usados para el control de procesos de temperatura en el Sistema didctico en control de procesos. Adems, ser capaz de describir la relacin entre la energa trmica y la temperatura, y podr establecer los principios bsicos de la transferencia de energa trmica. Finalmente, sabr describir los mecanismos de transferencia de energa trmica. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Energa Energa es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo. La energa existe en dos formas, potencial y cintica: La energa potencial es aqulla que posee un cuerpo debido a su posicin, o a su estado fsico o qumico particular. La energa cintica es aqulla que posee un cuerpo debido a su movimiento. Dependiendo del contexto en el cual se utilice, produzca o analice, la energa se puede describir como nuclear, gravitacional, mecnica, elctrica, trmica, qumica, etc. Sin embargo, en cualquier caso, la energa est compuesta de energa potencial o cintica o de ambos tipos de energa, como lo muestra la tabla 1-1. Por ejemplo, la energa trmica est compuesta de energa potencial y energa cintica. TIPO DE ENERGA FORMA Nuclear Potencial Gravitacional Potencial Mecnica Potencial si la masa est en reposo, cintica si la masa est en movimiento Trmica Potencial y cintica Elctrica Potencial cuando no se usa, cintica cuando se usa Qumica Potencial Tabla 1-1. La energa existe en dos formas, cintica y potencial. 1-1 Introduccin al control de procesos de temperatura 1-2 Energa trmica La energa trmica est asociada con el movimiento aleatorio o desorganizado de las partculas que constituyen un cuerpo: En fluidos ideales, las partculas se mueven aleatoriamente y no ejercen fuerza las unas sobre las otras, as que la energa trmica es toda energa cintica. En los slidos, sin embargo, las partculas se mueven aleatoriamente alrededor de posiciones de equilibrio, como si se mantuvieran juntas mediante resortes diminutos. Como consecuencia, la energa de las partculas cambia constante-mente entre cintica y potencial. Por tanto, la energa trmica, es una combinacin de energa cintica y energa potencial. Observe que el trmino calor se utiliza a menudo para indicar lo mismo que energa trmica, lo cual es una prctica comn pero errnea. El calor es slo una sensacin arbitrariamente sentida por los animales y seres humanos que no est relacionada con la naturaleza intrnseca de la energa trmica. Temperatura La temperatura es una medida de la energa cintica promedio de las partculas que constituyen un cuerpo. Entre ms grande es la energa cintica de las partculas, mayor ser la temperatura del cuerpo. , La temperatura se mide sobre una escala de temperatura. Actualmente se usan cuatro escalas de temperatura: Celsius, Kelvin, Fahrenheit y Rankine. Esto se expondr en detalle en el ejercicio siguiente. Principios bsicos de la transferencia de energa trmica Siempre que dos cuerpos de diferentes temperaturas se juntan, las partculas de los mismos colisionarn debido a su movimiento aleatorio. Las partculas del cuerpo ms caliente, el cual tiene mayor energa cintica, disminuirn su velocidad debido a las colisiones, mientras que las partculas ms lentas del cuerpo ms fro se movern ms rpido. Como resultado de estas colisiones, la energa trmica del cuerpo ms caliente ser transferida al cuerpo ms fro. Esto causar que la temperatura del cuerpo ms caliente disminuya y que la temperatura del cuerpo ms fro aumente. Este fenmeno se conoce como transferencia de energa trmica. La transferencia de energa trmica, dejndose por s sola, continuar hasta que las partculas de los dos cuerpos tengan la misma energa trmica. Cuando esto ocurre, los dos cuerpos han alcanzado la misma temperatura y se dice que estn en equilibrio trmico. Una vez que se logra el equilibrio trmico, se termina la transferencia de energa trmica. Introduccin al control de procesos de temperatura La tasa a la cual ocurre la transferencia de energa trmica vara en proporcin directa a la conductividad trmica de los dos cuerpos, a la superficie de transferen-cia de energa trmica entre ellos y a la diferencia en la temperatura de ambos. Observe que el trmino transferencia de calor se usa frecuentemente para indicar lo mismo que transferencia de energa trmica. Desafortunadamente, el trmino transferencia de calor es engaoso porque da la idea errnea de que el calor es una sustancia que puede almacenarse o moverse de un lugar a otro. Sin embargo, dicho trmino se acepta comnmente en el mundo de la instrumentacin y el control porque brinda un entendimiento intuitivo del fenmeno. Siempre que se utilice el trmino, lo importante es recordar que la energa trmica siempre se transfiere desde un cuerpo ms caliente hasta uno ms fro. sta es la razn por la que nunca observaremos a un cuerpo fro calentar a un cuerpo caliente. Mecanismos de transferencia de energa trmica Hay tres mecanismos mediante los cuales ocurre la transferencia de energa trmica: conduccin, conveccin y radiacin: Conduccin: la energa trmica es transferida mediante contacto directo entre las partculas de un nico cuerpo, o entre las partculas de dos (o ms) cuerpos que tengan buen contacto trmico el uno con el otro. Por ejemplo, un pedazo de metal con un extremo en el fuego se pondr caliente muy pronto de extremo a extremo. La transferencia de energa trmica por conduccin es ms efectiva en los metales, los cuales son buenos conductores trmicos y es menos efectiva en los gases, los cuales son pobres conductores trmicos. Conveccin: la energa trmica es transferida entre las partculas de un fluido. La conveccin puede ser natural o forzada: - La conveccin natural causa que el fluido calentado se haga ms liviano y se eleve a una regin ms fra y ms densa. Por ejemplo, el aire caliente sube al techo de un cuarto por conveccin natural y es reemplazado por aire ms fro. La transferencia de energa trmica por conveccin natural ocurre solamente en el campo gravitacional y no puede darse en slidos. - La conveccin forzada es la circulacin forzada de un fluido por medio de un dispositivo mecnico tal como un ventilador o una bomba que resulta en una tasa aumentada de transferencia de energa trmica entre las partculas del fluido. Radiacin: la energa trmica es transferida a travs de los efectos de la radiacin electromagntica. Por ejemplo, el efecto de la radiacin del sol calentando su cara mientras que el aire circundante est relativamente fro. 1-3 Introduccin al control de procesos de temperatura 1-4 Relacin entre energa trmica y temperatura Hasta aqu se ha asumido que un aumento en la energa trmica de un cuerpo resulta en un aumento en la temperatura del mismo y que una reduccin en la energa trmica del cuerpo resulta en una reduccin en la temperatura. Realmente, hay una excepcin a esta regla: siempre que un cuerpo cambia de fase, pasando, por ejemplo, de slido a lquido o de lquido a vapor, un cambio en la energa trmica del cuerpo no necesariamente resultar en un cambio en la temperatura del mismo. Por ejemplo, la figura 1-1 muestra la relacin entre la energa trmica y la temperatura de alguna sustancia. Segn se muestra, los puntos de fusin y ebullicin son segmentos planos donde un aumento o reduccin en la energa trmica no produce un cambio en la temperatura. Esto ocurre porque cuando un cuerpo cambia de fase, la energa trmica que gana o pierde se asocia con el cambio de la energa potencial de sus partculas, no de su energa cintica. Debido a que la temperatura es una medida de la energa cintica de las partculas, sta permanece invariable cuando slo hay una ganancia o prdida de energa potencial. La energa trmica ganada o perdida por un cuerpo durante un cambio de fase es llamada usualmente energa latente (o de manera equivocada, calor latente) porque no produce ningn cambio en la temperatura del cuerpo. Esto ilustra el hecho de que la energa trmica no se debe confundir con calor. As, se puede adicionar a un cuerpo tanta energa trmica como se quiera durante un cambio de fase pero su temperatura no aumentar. TEMPERATURA PUNTO DE EBULLICiN PUNTO DE FUSiN SLIDO LQUIDO GAS ENERGA TRMICA Figura 1-1 . Relacin entre la energa trmica y la temperatura de alguna sustancia. Ejercicio 1 -1 Familiarizacin con el sistema didctico OBJETIVO DEL EJERCICIO Familiarizarse con los componentes del Sistema didctico en control de procesos que son utilizados para la medicin y control de la temperatura. PRINCIPIOS Procesos de temperatura Un proceso de temperatura se puede definir como la operacin u operaciones usadas para crear un cambio en la temperatura de un cuerpo. El cuerpo puede ser, por ejemplo, una sustancia o un material. Los procesos de temperatura pueden funcionar en modo de calefaccin o de refrigeracin: En el modo de calefaccin, se adiciona energa trmica a un cuerpo con el fin de aumentar su temperatura. En el modo de refrigeracin, se retira energa trmica de un cuerpo con el fin de disminuir su temperatura. En cualquier caso, alguna clase de dispositivo de intercambio de calor se debe usar para transferir energa trmica de un cuerpo a otro. Dispositivos de intercambio de calor del Sistema didctico en control de procesos El Sistema didctico en control de procesos viene con dos tipos de dispositivos de intercambio de calor: una Unidad de calefaccin y una Unidad de refrigeracin. Unidad de calefaccin La figura 1-2 muestra la Unidad de calefaccin del Sistema didctico en control de procesos. Esta unidad se utiliza para adicionar energa trmica al agua del proceso. La Unidad de calefaccin consta de un tubo de cobre doblado en forma de serpiente a travs del cual se conduce el agua. Dentro del tubo hay un calefactor hecho de dos conductores elctricos que convierten energa elctrica en energa trmica. Esta energa trmica se transfiere al agua que fluye a travs del tubo mediante conduccin y conveccin forzada. Por consiguiente, el agua abandona el tubo a una mayor temperatura. 1-5 F amiliarizacin con el sistema didctico 6 7 8 Figura 1-2. Unidad de calefaccin del Sistema didctico en control de procesos. CD : Perilla de control manual : Entrada de agua fra @ : Terminales de la entrada de control : Salida de agua caliente @ : Cable de la lnea ca : Tubo de cobre serpentino : Interruptor S1 : Reinicio manual CID : Calefactor elctrico @J : Interruptor de desconexin cclico 1-6 Familiarizacin con el sistema didctico Hay dos formas de controlar la cantidad de potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin: Usando la perilla de control manual en el panel frontal de la Unidad de calefaccin ((D en la figura 1-2). Usando un controlador externo de 0-5 V o 4-20 mA, en cuyo caso la salida del controlador se debe conectar a los terminales apropiados de la entrada de control en el panel frontal de la Unidad de calefaccin. La seleccin entre estas dos opciones se hace mediante el interruptor S1 en el panel frontal de la Unidad de calefaccin (@ en la figura 1-2). El calefactor de la Unidad de calefaccin est protegido contra sobrecalentamiento mediante dos interruptores de desconexin de alta temperatura. Los interruptores retirarn la potencia elctrica del calefactor si el flujo de agua a travs de la unidad se hace demasiado pequeo y la temperatura del agua se hace muy alta. La temperatura para la desconexin es aproximadamente 55C (131 F). Uno de los interruptores es cclico y se reiniciar automticamente cuando la temperatura del agua descienda. El otro interruptor, cuando se dispara, necesita ser reiniciado manualmente pulsando un botn en la parte superior del mismo. Este interruptor se utiliza como respaldo en el caso en que el interruptor cclico falle. Slo se disparar en circunstancias excepcionales. En cualquier caso, se escuchar un chasquido cuando se dispare el interruptor. Adems, se escuchar un chasquido cuando el interruptor cclico se restaure. iADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefaccin est protegida contra sobrecalenta-miento, no debe aplicarse potencia elctrica al calefactor en ausencia de flujo de agua a travs de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe girarse completamente en sentido antihorario, o que el voltaje o corriente aplicado por el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mnimo (O V o 4 mAl en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podra causar que la Unidad de calefaccin se desgaste prematuramente. Unidad de refrigeracin La figura 1-3 muestra la Unidad de refrigeracin del Sistema didctico en control de procesos. Esta unidad se utiliza para retirar energa trmica del agua del proceso. La Unidad de refrigeracin consta de un tubo de cobre doblado en forma de serpiente a travs del cual se conduce el agua: Mientras el agua fluye a travs del tubo, la energa trmica del agua se transfiere al tubo mediante conveccin forzada y conduccin. 1-7 Familiarizacin con el sistema didctico 1-8 La energa trmica luego se transfiere desde el tubo hacia el aire que fluye a travs del tubo por conveccin, causando que la temperatura del agua disminuya. Esta conveccin es forzada por dos ventiladores de hlice. Los ventiladores inducen una corriente continua de aire fresco a travs del tubo, lo cual mantiene una diferencia de temperatura sustancial entre el tubo y el aire. Entre mayor sea la velocidad de rotacin de los ventiladores, ms rpida es la circulacin de aire fresco y por tanto, mayor ser la tasa de transferencia de energa trmica entre el tubo y el aire. Adherida al tubo en forma de serpiente hay una hoja de aletas metlicas delgadas que aumentan la superficie de transferencia de energa trmica entre el tubo y el aire circundante, la cual adems aumenta la tasa de transferencia de energa trmica por conveccin forzada. (a) Vista frontal (b) Vista lateral Figura 1-3. Unidad de refrigeracin del Sistema didctico en control de procesos. CD : Entrada de agua caliente @: Aletas @ : Salida de agua fra @ : Tubo de forma serpentina @ : Perilla de control manual : Ventiladores de hlice : Terminales de la entrada de control Familiarizacin con el sistema didctico Hay dos formas de controlar la velocidad de rotacin de los motores del ventilador de la Unidad de refrigeracin: Usando la perilla de control manual en el panel frontal de la Unidad de refrigeracin (@ en la figura 1-3). Usando un controlador externo de 0-5 V o 4-20 mA, en cuyo caso la salida del controlador se debe conectar a los terminales apropiados de la entrada de control en el panel frontal de la Unidad de refrigeracin (@ en la figura 1-3). La seleccin entre estas dos opCiones se hace mediante el interruptor S1 en el panel frontal de la Unidad de refrigeracin. Un segundo interruptor, S2, se utiliza para seleccionar el modo de control de la velocidad de rotacin de los motores de los ventiladores, el cual puede ser directo o inverso: Cuando S2 se lleva a la posicin" Ir " (modo directo), la velocidad de rotacin de los motores de los ventiladores variar en proporcin directa al voltaje o corriente de control aplicado a los terminales de la entrada de control. Entre mayor sea el voltaje o corriente de control, mayor ser la velocidad de rotacin. Si la perilla de control manual se utiliza para controlar la velocidad de rotacin de los motores de los ventiladores, al girar la 'perilla en sentido horario se aumenta la velocidad de rotacin. Por el contrario, cuando S2 se lleva a la posicin" il " (modo inverso), la velocidad de rotacin de los motores de los ventiladores variar en proporcin inversa al voltaje o corriente de control aplicado a los terminales de la entrada de control. Entre mayor sea el voltaje o corriente de control, menor ser la velocidad de rotacin. Si la perilla de control manual se utiliza para controlar la velocidad de rotacin de los motores de los ventiladores, al girar la perilla en sentido horario se reduce la velocidad de rotacin. Resumen del procedimiento En este ejercicio se familiarizar con los componentes del Sistema didctico en control de procesos que son utilizados para la medicin y control de la temperatura. EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilizacin de los equipos, en el apndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio. 1-9 Familiarizacin con el sistema didctico 1-10 PROCEDIMIENTO D 1. La figura 1-4 muestra los componentes del Sistema didctico en control de procesos que son utilizados para medir y controlar la temperatura. Tome estos componentes de su lugar de almacenamiento y colquelos sobre la Superficie de trabajo. Unidad de calefaccin D 2. Examine la Unidad de calefaccin, modelo 6530. Segn se mencion anteriormente, este dispositivo se utiliza para aumentar la temperatura del agua del proceso. El agua se pasa a travs de un tubo de forma serpentina donde gana la energa trmica producida por un calefactor. Dibuje debajo el smbolo de instrumentacin loSA de la Unidad de calefaccin, como aparece impreso en el panel frontal de esta unidad al lado del interruptor S1. D 3. De acuerdo con los sentidos de las flechas en el smbolo de la Unidad de calefaccin, cul puerto de manguera (izquierdo / derecho) de la unidad corresponde a la entrada de agua fra? Cul a la salida de agua caliente? iADVERTENCIA! No aplique potencia elctrica al calefactor de la Unidad de calefaccin en ausencia de flujo de agua a travs de la misma. El omitir esto podra causar que la Unidad de calefaccin se desgaste prematuramente. Familiarizacin con el sistema didctico o UNIDAD DE CALEFACCiN, MODELO 6530 TRANSMISOR DE TEMPERATURA A OTR ~ ~ ~"u ... _~ '~9.~ ~~~ .0_ Q 13' e~f TRANSMISOR DE TEMPERATURA A DTR CON SONDA DTR TRI FILAR, MODELO 6543 UNIDAD DE REFRIGERACiN, MODELO 6531 v Fcfl ;::~ ~~ TRANSMISOR DE TEMPERATURA A TERMOPAR CON SONDAS DE TERMOPAR, MODELO 6541 Figura 1-4. Componentes utilizados para medir y controlar la temperatura. Unidad de refrigeracin D 4. Examine la Unidad de refrigeracin , modelo 6531. Segn se mencion anteriormente, este dispositivo se usa para disminuir la temperatura del agua del proceso. El agua se pasa a travs de un tubo de forma serpentina donde es enfriada por la corriente de aire producida por dos ventiladores. 1-11 Familiarizacin con el sistema didctico 1-12 Dibuje debajo los smbolos de instrumentacin i.S.A. del tubo de forma serpentina, del mando del motor del ventilador, del motor del ventilador y de los ventiladores de la Unidad de refrigeracin, tal y como aparecen impresos entre los dos puertos de manguera en el panel frontal de esta unidad. Tubo de forma serpentina: _______ _ Mando del motor del ventilador, motor del ventilador y ventiladores: _______ _ D 5. Haga los siguientes ajustes en la Unidad de refrigeracin: Interruptor S1 . .. . .... .. ...................... . . . ..... 2 Perilla de control manual . . . . completamente en sentido antihorario Interruptor S2 ............................ . .. ... ...... TT D 6. Energice la Unidad de refrigeracin. Para hacerlo, conecte los terminales de la entrada de energa de 24 V ce de esta unidad a la Fuente de alimentacin cc de 24 V, modelo 6360. Encienda la Fuente de alimentacin cc de 24 V. D 7. Observe que los ventiladores de la Unidad de refrigeracin estn rotando a una velocidad baja mnima, que corresponde al ajuste actual de la perilla de control manual de esta unidad. D 8. Gire la perilla de control manual de la Unidad de refrigeracin completa-mente en sentido horario. Qu pasa con la velocidad de los ventiladores? D 9. Lleve interruptor S2 de la Unidad de refrigeracin a la posicin" il ". Qu pasa con la velocidad del ventilador? D 10. Gire la perilla de control manual de la Unidad de refrigeracin completa-mente en sentido antihorario. Qu pasa con la velocidad del ventilador? D 11. Desconecte la Unidad de refrigeracin de la Fuente de alimentacin cc de 24 V para detener los ventiladores. Familiarizacin con el sistema didctico Sonda aTR y Transmisor de temperatura a aTR o 12. Examine la sonda DTR y el Transmisor de temperatura a DTR, modelo 6543. Estos dispositivos estn propuestos para ser usados en conjunto para medir la temperatura del agua en la Columna del Sistema didctico. La sonda DTR contiene un elemento primario de medicin de temperatura llamado detector de temperatura resistivo, o DTR. Cuando la sonda DTR est conectada a la entrada DTR 100 (2 delTransrn,isor de temperatura a DTR, suministra al transmisor una seal elctrica proporcional a la temperatura de su punta. El transmisor convierte esta seal a un voltaje y a una corriente de rango normalizado que estn disponibles en las SALI DAS 0-5 V Y 4-20 mA del transmisor. El transmisor tambin tiene una salida calibrada, denotada "CAL." , que provee un voltaje fijo de 1 00 mV por grado Celsius medido por encima de OC (o 56 mV por grado Fahrenheit medido por encima de 32F). o 13. Energice el Transmisor de temperatura a pTR.; Para hacerlo, conecte los terminales de ALlMENTACION de est . transmisor a la Fuente de alimentacin cc de 24 V. o 14. Conecte la sonda DTR a la entrada DTR 100 (2 del Transmisor de temperatura a DTR. Para hacer esto, conecte el conector rojo de la sonda al terminal rojo de la entrada DTR 100 (2 y los conectores negros de la misma a los terminales negros de esta entrada. Deje que la punta de la sonda descanse sobre la Superficie de trabajo. o 15. En el Transmisor de temperatura a DTR, ubique el interruptor SELECTOR DE ENTRADA en la opcin DTR. Conecte un voltmetro CC a la salida CAL. del Transmisor de temperatura a DTR. o 16. De acuerdo con la lectura del voltmetro, cul es la temperatura ambiente medida por la sonda DTR? o 17. Apriete fuertemente su mano alrededor de la punta de la sonda DTR. La energa trmica de su mano que est siendo transferida a la punta debe producir un aumento visible en la lectura del voltmetro. Observa esto? 1-13 Familiarizacin con el sistema didctico 1-14 D S D No Sondas de termopar y Transmisor de temperatura a termopar D 18. Ahora examine el Transmisor de temperatura a termopar, modelo 6541. Este mdulo consta realmente de cuatro transmisores de temperatura, denotados TT1 hasta TT 4. Cada transmisor est diseado para ser usado junto con una sonda de termopar para medir la temperatura del agua en los puertos de presin en los componentes del Sistema didctico. D 19. Examine una de las cuatro sondas de termopar. Como lo muestra la figura 1-5, la sonda tiene un conector rectangular polarizado que se adapta en la entrada TERMOPAR de cualquiera de los cuatro transmisores de temperatura a termopar. El otro extremo de la sonda, que tiene un ajuste macho de rpida conexin, se puede conectar a los puertos de presin en los componentes del Sistema didctico. Observe que el ajuste de rpida conexin est terminado en un tubo de aleacin angosto. Este tubo, llamado termopozo, contiene un elemento de medicin de temperatura llamado juntura de termopar. El termopozo permite que se inserte la juntura de termopar a un puerto de presin sin esfuerzo mecnico ni dao qumico. D 20. Energice el mduloTransmisor de temperatura a termopar. Para hacerlo, conecte los terminales de ALI MENT ACiN de este mdulo a la Fuente de alimentacin cc de 24 V. D 21. Conecte una sonda de termopar al transmisor TT1 del mdulo Transmisor de temperatura a termopar. Deje que el ajuste de rpida conexin de la sonda descanse sobre la Superficie de trabajo. D 22. Ubique el interruptor SELECTOR DE ENTRADA del transmisor TT1 en la opcin TERMOPAR. Conecte un voltmetro CC a la salida CAL. de este transmisor. Familiarizacin con el sistema didctico CONECTOR POLARIZADO ALAMBRE DE TERMOPAR AJUSTE DE RPIDA CONEXiN TERMOPOZO JUNTURA DE TERMOPAR Figura 1-5. Sonda de termopar. D 23. De acuerdo con the lectura del voltmetro, cul es la temperatura ambiente medida por la sonda de termopar? Nota: Es aceptable una diferencia de 1C (1,8 F) entre la temperatura ambiente medida con el Transmisorde temperatura a termopar y la que se midi anteriormente en el paso 16 del procedimiento con el Transmisor de temperatura a OTR. D 24. Apague la Fuente de alimentacin cc de 24 V. Regrese todos los compo-nentes y alambres a su lugar de almacenamiento. CONCLUSiN En este ejercicio usted se familiariz con los componentes del Sistema didctico er:l control de procesos que son utilizados para medir y controlar la temperatura. 1-15 Familiarizacin con el sistema didctico 1-16 PREGUNTAS DE REVISiN 1. Qu es temperatura? 2. Qu significa "transferencia de energa trmica"? 3. Qu es equilibrio trmico? 4. Cules son los tres factores que determinan la tasa a la cual ocurre una transferencia de energa trmica entre dos cuerpos? 5. Describa brevemente los tres mecanismos mediante los cuales ocurre una transferencia de energa trmica. Examen de la unidad 1. La energa trmica se compone de a. energa cintica en gases. b. energa cintica y potencial en lquidos. c. energa cintica y potencial en slidos. d. todas las anteriores 2. La temperatura es una medida de a. la energa potencial de las partculas que constituyen un cuerpo. b. la energa cintica de las partculas que constituyen un cuerpo. c. la energa potencial y cintica de las partculas que constituyen un cuerpo. d. la energa trmica de las partculas que constituyen un cuerpo. 3. Siempre que se juntan dos cuerpos de diferentes temperaturas, la energa trmica se transfiere a. desde el cuerpo ms fro al ms caliente. b. desde el cuerpo ms cal iente al ms fro. c. mientras exista equilibrio trmico entre los dos cuerpos. d. Ninguna de las anteriores 4. La tasa de transferencia de energa trmica entre dos cuerpos disminuir a. si se aumenta la superficie de transferencia de energa trmica entre ellos. b. si se aumenta la conductividad trmica de los cuerpos. c. si disminuye la diferencia en la temperatura entre los cuerpos. d. (a) y (b) 5. Cuando dos cuerpos estn en equilibrio trmico, a. sus partculas poseen igual cantidad de energa potencial. b. sus partculas poseen iguales cantidades de energa trmica. c. no puede ocurrir transferencia de energa trmica entre los dos cuerpos. d. (b) Y (c) 6. La conveccin causa que la energa trmica sea transferida a. por medio de un fluido, tal como el aire. b. por contacto directo entre las partculas de un nico cuerpo, o entre las partculas de dos o ms cuerpos que tengan buen contacto trmico los unos con los otros. c. por medio de ondas electromagnticas sin necesidad de contacto fsico entre los cuerpos. d. Ninguna de las anteriores 1-17 1-18 Examen de la unidad (cont.) 7. La conduccin causa que la energa trmica sea transferida a. por medio de un fluido, tal como el aire. b. por contacto directo entre las partculas de un nico cuerpo, o entre las partculas de dos o ms cuerpos que tengan buen contacto trmico los unos con los otros. c. por medio de ondas electromagnticas sin necesidad de contacto fsico entre los cuerpos. d. Ninguna de las anteriores 8. La radiacin causa que la energa trmica sea transferida a. por medio de un fluido, tal como el aire. b. por contacto directo entre las partculas de un nico cuerpo, o entre las partculas de dos o ms cuerpos que tengan buen contacto trmico los unos con los otros. c. por medio de ondas electromagnticas sin necesidad de contacto fsico entre los cuerpos. d. Ninguna de las anteriores 9. Cuando fluye agua caliente a travs del tubo de forma serpentina de la Unidad de refrigeracin del Sistema didctico, la energa trmica se transfiere a. desde el agua hacia el tubo de forma serpentina, por conduccin. b. desde el tubo hacia el agua, por conveccin. c. desde las aletas y el tubo hacia el aire, por conveccin forzada. d. (a) y (c) 10. Los dos ventiladores de la Unidad de refrigeracin aumentan la tasa de transferencia de energa trmica entre el tubo y el aire. Para ello, inducen una corriente continua de aire fresco a travs del tubo, con lo cual a. aumentan la conductividad trmica del tubo. b. mantienen una diferencia de temperatura sustancial entre el tubo y el aire a travs de l. c. mantienen al tubo a una temperatura constante. d. disminuyen la conductividad trmica del aire calentado. Unidad 2 Medicin de temperatura OBJETIVOS DE LA UNIDAD Cuando complete esta unidad, ser capaz de medir temperatura con un transmisor de temperatura a DTR y con un transmisor de temperatura a termopar. Podr explicar cmo ocurre la transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura. Finalmente, mientras un fluido corre entre dos puntos de un proceso de temperatura en equilibrio trmico, podr determinar la tasa a la cual un fluido gana o pierde energa trmica. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Escalas de temperatura Segn se mencion, la temperatura se mide sobre una escala de temperatura. Hay cuatro escalas de temperatura actualmente en USC;{ la escala Celsius; la escala Kelvin; la escala Fahrenheit y la escala Rankine. Cada escala debe su nombre al cientfico que la cre. Para formar su escala, todos los cientficos usaron el siguiente mtodo: Primero seleccionaron arbitrariamente dos puntos fijos para establecer los extremos inferior y superior de su escala. Cada punto fijo corresponde a un fenmeno fsico que puede ser reproducido fcilmente y que implica una cantidad de energa trmica bien conocida y constante, tal como la condicin cuando dos fases de la misma sustancia coexisten en equilibrio (p.e. el punto de fusin del hielo). Luego dividieron el espacio entre los dos puntos fijos en un nmero arbitrario de divisiones iguales llamadas grados de temperatura. La figura 2-1 muestra una comparacin de las cuatro escalas. Las escalas Celsius y Kelvin se usan en el sistema S.I. de unidades. Por su parte, las escalas Fahrenheit y Rankine se usan en el sistema E.U. de unidades. 2-1 Medicin de temperatura PUNTO DE EBULLICiN 100 DEL AGUA ------PUNTO DE FUSiN DEL HIELO o CERO TERMODINMICO -273,15 373,15 273,15 o 212 671,7 32 491 ,7 -459,7 o ESCALA CELSIUS fCJ ESCALA KELVIN (K) ESCALA FAHRENHEIT fF) ESCALA RANKINE fR) 2-2 Figura 2-1. Comparacin de las escalas Celsius, Kelvin, Fahrenheit y Rankine. La escala Celsius Esta escala fue creada por un astrnomo sueco llamado Anders Celsius, basado en el siguiente criterio: Punto fijo inferior: punto de congelacin del agua pura, tambin conocido como punto de fusin del hielo. Punto fijo superior: punto de ebullicin del agua pura bajo presin atmosfrica normal. Nmero de divisiones entre los dos puntos fijos: 100 Medicin de temperatura Una divisin de escala = un grado Celsius (1 C). Observe que la escala Celsius fue llamada antiguamente escala Centgrado. La escala Kelvin Esta escala fue creada por un fsico y matemtico escocs llamado William Thomson, Baron Kelvin. La escala Kelvin tambin es llamada escala Celsius absoluta. Punto fijo inferior: cero absoluto (-273,15 OC); punto hipottico caracterizado por una ausencia completa de actividad molecular, y por tanto, de energa trmica. Punto fijo superior: punto triple del agua pura (0,01 oC) ; punto en el cual las formas slida, lquida y gaseosa del agua pueden coexistir en equilibrio. Nmero de divisiones entre los dos puntos fijos: 273,16, que corresponde a la diferencia en grados Celsius entre estos puntos. Una divisin de escala = un Kelvin (1 K). Nota: Las divisiones en la escala Kelvin son los kelvins, NO los grados kelvin; es decir, se deja slo el smbolo (K) sin ningn smbolo de grado. , Observe que los incrementos en la escala Kelvin corresponden con los incrementos en la escala Celsius. Como consecuencia, una variacin de 1 K corresponde a una variacin de 1C. Sin embargo, observe que una temperatura de cero en la escala Kelvin (O K) corresponde a una ausencia total de energa trmica, lo cual no es el caso de una temperatura de cero en la escala Celsius (OC) . La escala Fahrenheit Esta escala fue creada por un fsico alemn llamado Gabriel Daniel Fahrenheit. Punto fijo inferior: temperatura ms baja que puede ser alcanzada por una solucin de sal (cloruro de sodio) yagua. Punto fijo superior: temperatura normal del cuerpo humano. Nmero de divisiones entre los dos puntos fijos: 96 Una divisin de escala = un grado Fahrenheit (1 F). La escala Fahrenheit se usa principalmente en los Estados Unidos. 2-3 Medicin de temperatura 2-4 La escala Rankine Esta escala fue creada por un fsico escocs llamado William John Macquorn Rankine. La escala Rankine tambin es llamada escala Fahrenheit absoluta. Punto fijo inferior: el cero absoluto (-459,rF). Punto fijo superior: punto triple del agua pura (32,02F). Nmero de divisiones entre los dos puntos fijos: 491,7, que corresponde a la diferencia en grados Fahrenheit entre estos puntos. Una divisin de escala = un grado Rankine (1 R). Observe que los incrementos en la escala Rankine corresponden con los incrementos en la escala Fahrenheit. Como consecuencia, una variacin de 1R corresponde a una variacin de 1 F. Tambin observe que la temperatura de cero en la escala Rankine (O OR) corresponde a una ausencia total de energa trmica, lo cual no es el caso de una temperatura de cero en la escala Fahrenheit (OF) . Conversin entre Celsius y Fahrenheit En la industria de procesos, las escalas de temperatura de mayor importancia son las escalas relativas Celsius y Fahrenheit. Como consecuencia, es a menudo necesario hacer la conversin entre estas dos. Entre el punto de fusin del hielo y el punto de ebullicin del agua, hay 100 grados en la escala Celsius y 180 grados en la escala Fahrenheit. Como consecuencia, la relacin entre estas dos escalas es como sigue: rango Fahrenheit _ 180 9 rango Celsius 100 5 Entonces un grado Fahrenheit es 9/5 de grado Celsius y, por el contrario, un grado Celsius es 5/9 de grado Fahrenheit. Por tanto, para convertir una temperatura Celsius a una temperatura Fahrenheit, se multiplica la temperatura Celsius por 9/5 (o 1,8) Y luego de suman 32 F, ya que OC corresponden a 32F. Para convertir una temperatura Fahrenheit a una temperatura Celsius, se restan 32F de la temperatura Fahrenheit y luego se multiplica el resultado por 5/9 (o 0,56). Por ejemplo, para convertir 90C a F: T (OF) = (1 ,8 F/oC . 90 OC) + 32 F 162 F + 32 F = 194 F Medicin de temperatura o para convertir 7rF a oC: T (OC) = 0,56 COF (77 F - 32 F) = 0,56 COF . 45 F = 25,2 oC Medicin de temperatura La temperatura no puede medirse directamente. De hecho, la temperatura se debe inferir basndose en el efecto que tienen sus cambios 'sobre una cantidad termomtrica, es decir, una cantidad que vara con la temperatura. La cantidad termomtrica puede ser, por ejemplo, la expansin lineal de un liquido o la resistencia elctrica de un metal. La figura 2-2 enuncia los dispositivos usados ms comnmente para medir la temperatura en procesos industriales: Los termmetros proveen una lectura visual directa de la temperatura. Los termmetros de tubo suministran una indicacin de la temperatura basndose en la expansin y contraccin de un fluido con la temperatura. Los termmetros de bulbo proveen una indicacin de la temperatura basndose en la variacin en la presin de un fluido con la temperatur~ Los' termmetros bimetlicos proveen una indicacin de la temperatura basndose en la expansin y contraccin debida a la temperatura de dos piezas de metal unidas. Los termmetros estn limitados en su uso como indicadores locales ya que no pueden usarse normalmente para el control PI D en lazo cerrado de la tempera-tura. Los termopares producen un voltaje elctrico proporcional a la temperatura. Constan de dos alambres hechos de metales o aleaciones diferentes que estn unidos en un extremo para formar una juntura. Los dos extremos no conectados de los alambres generan un voltaje proporcional a la temperatura de la juntura. Los resistores sensibles a la temperatura producen un cambio en la resistencia elctrica proporcional a la temperatura. Por ejemplo, la resistencia de un DTR aumentar mientras la temperatura aumenta. Por el contrario, la resistencia de un termistor disminuir mientras la temperatura aumenta. Los pirmetros de radiacin miden la temperatura de un cuerpo basndose en el tipo o cantidad de energa electromagntica radiada por el cuerpo. No requieren contacto directo con el cuerpo. Se usan principalmente en aplicacio-nes donde se experimentan altas temperaturas, como en cuartos crematorios o incineradores. 2-5 Medicin de temperatura 2-6 TERMMETROS TERMOPARES RESISTORES PIRMETROS SENSIBLES A LA DE RADIACiN TEMPERATURA DE TUBO DE BULBO TIPOJ TERMISTORES PTICO BIMETLlCO TIPO K DTR BANDA ANCHA y ANGOSTA TIPOT TIPOS R Y S Figura 2-2. Tipos comunes de dispositivos de medicin de temperatura. Caractersticas estticas y dinmicas de un dispositivo de medicin de temperatura La decisin de cul dispositivo de medicin de temperatura se debe usar para una aplicacin particular depende de las caractersticas estticas y dinmicas del dispositivo. Caractersticas estticas , " t Las caractersticas estticas expresan la calidad del dispositivo de medicin de temperatura bajo condiciones de estado de rgimen estacionario. Entre ellas se incluyen, por ejemplo, la exactitud, la resolucin, la sensibilidad y la banda muerta. La exactitud es una indicacin de cun cerca est la seal producida por el dispositivo de medicin de temperatura a la temperatura real que est siendo medida. La resolucin es el intervalo ms pequeo que puede discriminar el dispositivo de medicin de temperatura. La sensibilidad es una medida del cambio en la seal de temperatura provista por el dispositivo para un cierto cambio en la temperatura medida. Finalmente, la banda muerta es el rango sobre el cual puede variar la temperatu-ra medida sin causar ningn cambio notable en la seal de salida del dispositivo de medicin de temperatura. Caractersticas dinmicas Las caractersticas dinmicas expresan la calidad del dispositivo de medicin de temperatura bajo condiciones transitorias. Describen qu tan rpido reaccionar el dispositivo ante un cambio escaln de la temperatura medida. Entre las caractersti-cas dinmicas se encuentran el tiempo muerto, la constante de tiempo y el tiempo de elevacin. Medicin de temperatura Las caractersticas dinmicas de un dispositivo de medicin de temperatura se pueden determinar creando un cambio repentino (escaln) en la temperatura medida. El nivel de la seal producida por el dispositivo de medicin de temperatura se registra luego con respecto al tiempo. La figura 2-3 muestra un ejemplo de la respuesta dinmica de un dispositivo de medicin de temperatura con respecto al tiempo: El tiempo muerto es el intervalo de tiempo entre el instante en el que ocurre el cambio escaln (to) Y el instante en el que el nivel de la seal generada por el dispositivo de medicin de temperatura comienza a cambiar. La constante de tiempo (T) es el tiempo que se requiere para que el nivel de la seal generada por el dispositivo de medicin de temperatura alcance el 63,2% del cambio total que sigue al cambio escaln en la temperatura. El nivel alcanza el valor de estado de rgimen estacionario final despus de cinco constantes de tiempo. Finalmente, el tiempo de elevacin (te) es el tiempo que se requiere para que el nivel de la seal generada por el dispositivo de medicin de temperatura pase desde el 10 hasta el 90% del valor final de estado estacionario. En las plantas industriales modernas, las caractersticas dinmicas de un dispositivo de medicin de temperatura son usualmente crticas. Por ejemplo, cuando se realiza el control en lazo cerrado de un proceso de temperatura, el dispositivo de medicin de temperatura debe ser lo suficientemente rpido para detectar cambios rpidos en la temperatura, de otro modo aumentar el tiempo requerido para que el lazo de control regrese a estado de rgimen estacionario, causando que la operacin de lazo sea abrupta o inestable. Hablando en trminos generales, el dispositivo de medicin de temperatura debe ser capaz de detectar cualquier cambio en la temperatura en menor tiempo que el equivalente a una constante de tiempo del proceso. 2-7 Medicin de temperatura NIVEL VALOR DE ESTADO DE 100% --------------------------------------:=-~-~-~-~-~-~-~-~-~-~-~-~-~-~-_-=_-_-__________________ ~;:~ - RGIMEN ESTACIONARIO 90% 63,2% 10 % -------------0% 2-8 ~tm--~~~:~.~t~ I I I I I I I I I L---T'----------I~----~I--------------------------------------------------------------~~TIEMPO t o: tiempo en que ocurri un cambio escaln en la entrada t m: tiempo muerto t : constante de tiempo te : tiempo de elevacin Figura 2-3. Respuesta dinmica de un dispositivo de medicin de temperatura con respecto al tiempo. Ejercicio 2 -1 Detectores de temperatura resistivos (DTR) OBJETIVO DEL EJERCICIO Explicar cmo funcionan los detectores de temperatura resistivos (DTR); Describir la relacin entre la temperatura y la resistenciaelctrica de los tipos de DTR ms comunes; " Definir los siguientes trminos: resistencia nominal, coeficiente de temperatura y sensibilidad. Explicar cmo puede usarse un puente Wheatstone para medir el voltaje producido sobre un DTR. PRINCIPIOS Resistencia elctrica Una caracterstica importante de todos los metales es su resistencia elctrica. La resistencia elctrica es la oposicin del metal al flujo de corriente elctrica. La resistencia elctrica se mide en ohmios (O) en ambOs sistemas de unidades: S.I. , y E.U. La resistencia elctrica de un metal depende de la temperatura a la que se encuentre. Por ejemplo, la figura 2-4 muestra qu le pasa a la resistencia relativa de diferentes metales mientras su temperatura aumenta. La resistencia relativa es el cociente entre la resistencia a la temperatura aplicada y la resistencia a la temperatura de referencia de QOG (32 F). Goma lo muestra la figura, la resistencia relativa de los metales aumenta mientras su temperatura se hace mayor. Adems, la resistencia relativa aumenta casi linealmente con la temperatura, al menos sobre un rango sustancial de temperatu-ras. Tambin, la resistencia relativa del nquel aumenta ms severamente con la temperatura que la del cobre o platino. 2-9 Detectores de temperatura resistivos (DTR) 2-10 RESISTENCIA RELATIVA [O/Q @ O'C (32 Fl] NQUEL 5,0 [o: = 0,00672 C ', ~ (0,00373 F" l] COBRE [0:= 0,0038 C " ~ (0,00211 F')] 4,0 PLATINO [o:: = 0,00392 C' ~ (O,00218 ' F" l] 3,0 2,0 0,392 -r-1,O 100 200 400 600 800 rCl TEMPERATURA o 32 212 500 1000 1500 rFl Figura 2-4. Relacin de resistencia relativa en funcin de la temperatura para diferentes metales. Coeficiente de temperatura Todos los metales tienen un coeficiente de temperatura especfico que indica su cambio promedio en la resistencia relativa por unidad de temperatura entre O y 100C (entre 32 y 212F) . El coeficiente de temperatura se simboliza mediante la letra griega alfa (a) . Se mide usualmente en ohmios por ohmio grado Celsius (OC") o en ohmios por ohmio grado Fahrenheit (OF"). La figura 2-4, por ejemplo, indica que el coeficiente de temperatura del platino es 0,00392C" (0,00218F'l Como consecuencia, la resistencia relativa del platino vara por 0,392 entre O y 100C (32 y 212F). Ms all de 100C (212 F), la forma de la curva del platino indica que el coeficiente de temperatura disminuye ligeramente mientras la temperatura se hace mayor. Detectores de temperatura resistivos (DTR) Detectores de temperatura resistivos Un detector de temperatura resistivo (OTR) es un elemento primario que se utiliza para medir temperatura. El OTR trabaja sobre el principio de que la resistencia elctrica de los metales cambia con la temperatura. El OTR consta de un conductor metlico usualmente enrollado en una bobina. El OTR se conecta a un circuito elctrico para hacer que una corriente de excitacin constante fluya a travs de l. Mientras la temperatura aumenta, la resistencia elctrica del conductor metlico aumenta y por tanto, .el voltaje sobre el OTR aumenta. Como consecuencia, midiendo el voltaje sobre el OTR, se puede obtener una seal proporcional a la temperatura del mismo. Esta seal se puede acondicionar en una corriente, voltaje o presin con un rango normalizado que sea adecuada para instrumentacin y control, formndose as un transmisor de temperatura por la combinacin del OTR y el circuito de acondicionamiento. Metales DTR La seleccin de un metal para usarse como OTR depende de varios factores. Entre stos, los ms importantes son la capacidad de seguir rpidamente los cambios en la temperatura, una buena linealidad, una buena r~producibilidad y un cambio de resistencia relativamente alto para un cambio dado en la temperatura (e.d. un coeficiente de temperatura alto) . Los metales usados ms comnmente para los OTR son platino, nquel y cobre (consulte la figura 2-4): El platino es el metal preferido para los OTR. Se ha escogido como el metal estndar internacional para la medicin de la temperatura en OTR. El platino tiene una relacin resistencia contra temperatura aproximadamente lineal sobre un amplio rango de temperatura. El platino ofrece buena estabilidad y reproduci-bilidad. Es adecuado para la medicin de altas temperaturas hasta 650 C (1200F) . El nquel es el segundo metal ms usado para los OTR. Es menos costoso que el platino y es ms sensible por su alto coeficiente de temperatura. Sin embargo, el nquel tiene un rango de medida ms angosto que el platino y est limitado a la medicin de las temperaturas por debajo de 300C (570F) . El cobre es el menos costoso de los tres metales y tiene la relacin ms lineal. Al igual que el platino, el cobre es adecuado para la medicin de altas temperaturas. Sin embargo, el cobre est sujeto a la oxidacin y tiene estabilidad y reproducibilidad ms pobre que el platino. 2-11 Detectores de temperatura resistivos (DTR) 2-12 Caractersticas de los OTRs Dos importantes caractersticas de los DTR son su resistencia nominal y su coeficiente de temperatura: La resistencia nominal es la resistencia del DTR a una temperatura de referencia dada, segn lo especifique el fabricante. Los DTR de platino, por ejemplo, estn diseados usualmente tal que su resistencia nominal sea 100 O al punto de referencia del hielo de OC (32 F) . El coeficiente de temperatura es el cambio medio en la resistencia relativa del metal por unidad de temperatura entre O y 100C (32 Y 212F) , como se explic anteriormente. La resistencia nominal y el coeficiente de temperatura de un DTR determinan la sensibilidad del mismo dentro del rango de temperatura O-100C (32-212F) . La sensibilidad es la cantidad por la cual cambiar la resistencia del DTR por unidad de temperatura, en OJC (o OJF). Por ejemplo, un DTR de platino que tiene una resistencia nominal de 100 O a OC (32 F) y un coeficiente de temperatura de 0,00392C1 (0,00218 F1) tendr una sensibilidad de 0,392 OJC (0,218 OJ o F) dentro del rango de temperatura O-100C (32-212F) . Medicin del voltaje en un OTR Como se mencion anteriormente, el voltaje producido en un DTR, el cual es directamente proporcional a la temperatura, se puede usar para instrumentacin y control de procesos. El mtodo tradicional de medicin de voltaje en un DTR es utilizando un puente Wheatstone, como lo muestra la figura 2-5 (a). El DTR Y sus dos alambres aislados constituyen un circuito derivado del puente. Los resistores R1 y R2 tienen igual resistencia, mientras que el resistor R3 es ajustable y se usa como referencia. Una fuente de voltaje CC suministra una corriente de excitacin al DTR. Un amplificador diferencial produce un voltaje V s proporcional al voltaje de salida del puente (medido entre los puntos a y b) . Con el DTR colocado en un bao de hielo a OC (32F) , el resistor R3 se ajusta inicialmente para obtener un voltaje nulo (O V) a la salida del amplificador diferencial. En esta condicin, se dice que el puente tiene balanceo nulo. Una vez que el puente tiene balanceo nulo, el voltaje de salida del amplificador variar en proporcin directa a la temperatura del DTR. Detectores de temperatura resistivos (DTR) SALIDA DEL PUENTE AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Vo ALAMBRE AISLADO 1 ALAMBRE AISLADO 2 Vo a b ALAMBRE AISLADO 1 r DTR ALAMBRE AISLADO 2 ALAMBRE AISLADO 3 (a) Con DTR bifilar (b) Con DTR trifilar Figura 2-5. Medicin del voltaje en un OTR. Si los dos alambres que conectan el DTR con el puente son ms largos que unos pocos centmetros (pulgadas), introducirn un error en la,medicin de la temperatu-ra. Esto ocurre porque la resistencia de los alambre~ contribuir al voltaje producido a la salida del puente, causando que la temperatura detectada sea mayor que la medida realmente. Para minimizar este error, los DTR estn disponibles en una versin trifilar. El alambre extra se utiliza para cancelar las resistencias de los alambres aislados 1 y 2 mediante el balanceo del puente, como lo muestra la figura 2-5 (b) . Esto tiene el efecto de eliminar el error producido por los alambres aislados 1 y 2 mientras los alambres tengan la misma resistencia (e.d. igual longitud y temperatura). Ventajas y limitaciones de los OTR Los DTR tienen las siguientes ventajas: proveen una buena sensibilidad, una buena reproducibilidad y una buena estabilidad. Tambin brindan una alta exactitud; algunos DTR de platino son capaces de medir unas pocas milsimas de grado. Sin embargo, los DTR son relativamente costosos y tienen un tiempo de respuesta ms lento que los termopares. Adems, la exactitud de la medicin de los DTRs depende de la estabilidad trmica de los resistores y de la fuente de alimentacin usada en el puente Wheatstone. Sonda OTR Y Transmisor de temperatura a OTR del Sistema didctico en control de procesos El Sistema didctico en control de procesos viene con una sonda DTR trifilar que: usa un DTR de platino de 100 n a OC (32F). La sonda DTR se propone para ser usada con el Transmisor de temperatura a DTR para medir la temperatura del agua en la Columna del Sistema didctico, como lo muestra la figura 2-6. t' DTR 2-13 Detectores de temperatura resistivos (DTR) 2-14 La punta de la sonda DTR, se debe insertar dentro de la Columna a travs de la abertura del Conmutador de flotador. El otro extremo de la sonda DTR, el cual contiene tres alambres aislados, es para conectarse a los terminales "DTR 100 0" del Transmisor de temperatura a DTR. El Transmisor de temperatura a DTR produce una corriente de excitacin a travs del DTR y mide el voltaje resultante producido en el DTR. Este voltaje, que es proporcional a la temperatura del DTR, es acondicionado en voltajes y corrientes normalizadas que estn disponibles a las SALIDAS del transmisor. El transmisor tambin contiene una fuente de calibracin que se puede usar para simular el voltaje producido sobre el DTR para cualquier temperatura DTR comprendida entre O y 100C (32 y 212F). La fuente elimina la necesidad de llevar el DTR a una temperatura bien conocida cuando se realiza la calibracin de las SALI DAS del transmisor. La siguiente es una descripcin detallada de los terminales y ajustes del Transmisor de temperatura a DTR (consulte la figura 2-6): (!) Terminales de ALIMENTACiN: utilizados para energizar al transmisor con un voltaje CC de 24 V. @ Perilla de ajuste FUENTE DE CALIBRACiN: ajusta la temperatura de la sonda a ser simulada por la seal de la fuente de calibracin. Esta tempera-tura se puede ajustar entre O y 100C (32 Y 212F). @ SELECTOR DE ENTRADA: selecciona entre la seal de la sonda real o la seal de la sonda simulada producida por la fuente de calibracin. @ Interruptor SELECTOR DE CALIBRACiN: coloca las SALIDAS 0-5 V Y 4-20 mA en modo de calibracin fijo o modo de calibracin variable. Perillas de ajuste CERO y GAMA: usadas en el modo de calibracin variable (interruptor SELECTOR DE CALIBRACiN en VARIABLE) para establecer el rango de temperatura para el cual las SALI DAS 0-5 V Y 4-20 mA pasarn de mnimo a mximo: - La perilla CERO establece la temperatura para la cual las salidas sern mnimas (O V Y 4 mA), e.d. la temperatura mnima a detectarse. La temperatura mnima se puede ajustar entre O y 50 C (32 Y 122F). - La perilla GAMA establece la temperatura para la cual las salidas sern mximas (5 V Y 20 mA), e.d. la temperatura mxima a detectarse. La temperatura mxima se puede ajustar entre 15 y 30 C (27 y 54 F) por encima de la temperatura mnima ajustada con la perilla CERO. / 2 Detectores de temperatura resistivos (DTR) TRANSMIS R DE TEMPERA URA A DTR Iq4~ 6543-00 FUENTE DE r-ENT ADA~ CALIBRACiN CALIBRACiN , O CERO GAMA MiN. MX. 0-100 C /32-212F DTR FIJO 0-100 C (32-212 F) 5 ALIMENTACiN DTR 100 n / SALIDAS , CAL. 100 mV i"C r 0-5 V 4-20mA 56 mV i"F @---- @ 6 24V-= MISMO 0-10 v COLOR MISMO COLOR SONDA DTR PUNTA Figura 2-6. Sonda DTR y Transmisor de temperatura a DTR del Sistema didctico. @ SALIDA CAlibrada: provee un voltaje proporcional a la temperatura medida por la sonda o por la seal de la sonda simulada producida por la fuente de calibracin, dependiendo de la posicin del interruptor SELECTOR DE ENTRADA. 2-15 Detectores de temperatura resistivos (DTR) 2-16 Esta salida tiene una calibracin fija de 100 mV por oC medido por encima de OC (o 56 mV por F medido por encima de 32 F). Pasar desde O hasta 10 V cuando la temperatura real o simulada cambie desde O hasta 100C (32 hasta 212F) . Terminales de las SALIDAS 0-5 V Y 4-20 mA: proveen un voltaje y una corriente proporcional a la temperatura medida por la sonda o a la temperatu-ra de la seal de la sonda simulada por la fuente de calibracin, dependiendo de la posicin del interruptor SELECTOR DE ENTRADA. La calibracin de las SALIDAS 0-5 V Y 4-20 mA puede ser fija o variable, dependiendo de la posicin del interruptor SELECTOR DE CALIBRACiN: - En el modo de calibracin fijo (interruptor SELECTOR DE CALI BRACIN en FIJO), el rango de temperatura para el cual las salidas pasarn de mnimo a mximo est fijo entre O-100 C (32-212 F). - En el modo de calibracin variable (interruptor SELECTOR DE CALI-BRACiN en VARIABLE), el rango de temperatura para el cual las salidas pasarn de mnimo a mximo se puede ajustar por medio de las perillas de ajuste CERO y GAMA. Terminales de entrada DTR 100 Q: usados para conectar la sonda DTR al transmisor. Resumen del procedimiento En la primera parte del ejercicio, se familiarizar con el funcionamiento de un Transmisor de temperatura a DTR en el modo de calibracin fijo. En la segunda parte del ejercicio, se familiarizar con el funcionamiento de un Transmisor de temperatura a DTR en el modo de calibracin variable. En la tercera parte del ejercicio, har el montaje y operar un proceso de temperatura. Usar un Transmisor de temperatura a DTR para medir la temperatu-ra del agua en una columna. EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilizacin de los equipos, en el apndice A de este manual , para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio. Detectores de temperatura resistivos (DTR) PROCEDIMIENTO Funcionamiento del Transmisor de temperatura a DTR en el modo de calibracin fijo o 1. Tome el Transmisor de temperatura a DTR y la Fuente de alimentacin cc de 24 V de su lugar de almacenamiento. Monte estos componentes sobre la Superficie de trabajo principal. o 2. Energice el Transmisor de temperatura a DTR. o 3. Tome la sonda DTR de su lugar de almacenamiento y conctela a la entrada DTR 100 {2 del Transmisor de temperatura a DTR. Deje que la punta de la sonda descanse sobre la Superficie de trabajo. o 4. Haga los siguientes ajustes en el Transmisor de ter;nperatura a DTR: SELECTOR DE ENTRADA . . ......... .' . . . . . . . . . . . . . . . DTR SELECTOR DE CALIBRACiN ... .. .. ... .. . ... . . . ... . FIJO Esto selecciona la seal de la sonda DTR como la seal de entrada del transmisor y coloca las SALIDAS del transmisor en el modo de calibracin fijo . o 5. Conecte un voltmetro CC a la SALI DA 0-5 V del Transmisor de temperatu-ra a DTR. Debido a que esta salida est en el modo de calibracin fijo, genera un voltaje fijo de 50 mV por oC medido por encima de OC (o 28 mV por F medido por encima de 32 F) . De acuerdo con la lectura del voltmetro, cul es la temperatura ambien-te? o 6. Experiencia adicional con el funcionamiento del transmisor en el modo de calibracin fijo: Llene un contenedor apropiado con agua helada (mezcla de cubos de hielo yagua) . - Sumerja la punta de la sonda DTR en el agua helada. El voltaje de la SALIDA 0-5 V debe disminuir y estabilizarse en aproximadamente 2-17 Detectores de temperatura resistivos (DTR) 2-18 0,0 v, el cual, en el modo de calibracin fijo, corresponde a una temperatura DTR de OC (32F). Llene un contenedor apropiado con agua hirviendo calentada por una olla elctrica o por un horno microondas. Sumerja la punta de la sonda DTR en el agua hirviendo. El voltaje de la SALIDA 0-5 V debe aumentar y estabilizarse en aproximadamente 5,0 V, el cual, en el modo de calibracin fijo, corresponde a una temperatura DTR de 100C (212 F) . Nota: La SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR se estabilizar en un voltaje inferior a 5, O V si la presin atmosfrica est por debajo de 101,3 kPa absolutos (14,7 psia). Anote sus observaciones debajo. Funcionamiento del Transmisor de temperatura a DTR en el modo de calibracin variable Nota: En los siguientes pasos, se usar la fuente de calibracin del Transmisor de temperatura a DTR para calibrar su SALI-DA 0-5 V de tal forma que el voltaje en sta pase desde O, O hasta 5,00 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibracin pase desde 25 hasta 55 oC (77 hasta 131 F), respectivamente. o 7. Haga los siguientes ajustes en el Transmisor de temperatura a DTR: SELECTOR DE ENTRADA .............. . . FUENTE DE CAL. SELECTOR DE CALIBRACiN . .. . . . ...... . . . .. . VARIABLE Perilla de ajuste CERO ...................... . . .. .. .. MX. Perilla de ajuste GAMA .. ...... . . . ... . .. .. ... . ... ... . MX. Esto selecciona la seal de la fuente de calibracin como la seal de entrada del transmisor y coloca las SALIDAS del transmisor en el modo de calibracin variable. o 8. Ajuste la temperatura de la sonda a ser simulada por la fuente de calibracin del transmisor en 25C (7rF). Para hacerlo, ajuste la perilla FUENTE DE CALIBRACiN del transmisor hasta que obtenga un voltaje de 2,5 V a la SALI DA CAL. del transmisor. Detectores de temperatura resistivos (DTR) o 9. Mientras supervisa el voltaje a la SALIDA 0-5 V del transmisor, gire la perilla de ajuste CERO en sentido antihorario y deje de hacerlo tan pronto como el voltaje deje de disminuir, lo cual debe ocurrir alrededor de 0,01 V. Luego gire muy lentamente la perilla en la direccin de sentido horario y detngala tan pronto como el voltaje comience a aumentar. Esto establece la temperatura mnima a detectarse en 25 C (7rF) aproximadamente. o 10. Ahora ajuste la temperatura de la sonda a ser simulada por la fuente de calibracin del transmisor en 55 C (131 F). Para hacerlo, ajuste la perilla FUENTE DE CALIBRACiN del transmisor hasta que obtenga un voltaje de 5,5 V en la SALIDA CAL. del mismo. o 11 . Ajuste la perilla GAMA para obtener un voltaje de 5,00 V en la SALI-DA 0-5 V del transmisor. Esto establece la temperatura mxima a detectarse en 55 C (131 F) aproximadamente. o 12. Ahora que el Transmisor de temperatura a DTR est calibrado, proceda a la prxima parte del ejercicio. Medicin de temperatura con un DTR Montaje preliminar o 13. Tome la Superficie de trabajo adicional de su lugar de almacenamiento y mntela verticalmente (a un ngulo de 90) a la Superficie de trabajo principal , si esto no ha sido hecho todava. o 14. Conecte el sistema mostrado en la figura 2-7, teniendo cuidado de no modificar los ajustes de calibracin recin hechos en el Transmisor de temperatura a DTR. La figura 2-8 muestra el montaje sugerido. La velocidad del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo ser controlada con un controlador, FIC1, colocado en modo manual (lazo abierto). Las unidades de calefaccin y de refrigeracin sern controladas manualmente. (sta es la razn por la que no hay controlador de tempera-tura, o smbolo de instrumentacin "CT" mostrado al lado de estas unidades en el diagrama de flujo de la figura 2-7.) La Columna ser trabajada primero en el modo presurizado con el fin de limpiar el aire de los componentes corriente abajo de la Columna. Como consecuencia, por ahora deje que la punta de la sonda DTR descanse sobre la Superficie de trabajo. 2-19 Detectores de temperatura resistivos (DTR) 2-20 Nota: Asegrese de montar la Unidad de calefaccin en la ubicacin lo ms alta posible en la Superficie de trabajo adicio-nal, para que esta unidad est por encima de los otros compo-nentes del proceso, como lo muestra la figura 2-8. El omitir esto puede causar que el agua entre a la Unidad de calefaccin en la desconexin de las mangueras, lo cual a su vez puede daar la unidad. Adems, monte la Fuente de alimentacin cc de 24 V Y el Transmisorde temperatura a OTR de tal manera que el agua no pueda entrar a estos componentes ni a sus terminales elctricos cuando las mangueras estn desconectadas. La Unidad de calefaccin se debe conectar de acuerdo a la direccin de flujo indicada por las flechas en el smbolo de su panel frontal Por otra parte, la Unidad de refrigeracin funcionar indepen-dientemente de la direccin del flujo de agua a travs de ella. Sin embargo, para minimizar el riesgo de cavitacin causado por la succin de aire dentro de la bomba cuando el agua se calienta, conecte la Unidad de refrigeracin segn lo indica la figura 2-8, es decir, con su puerto superior como entrada de agua caliente y su puerto inferior como salida de agua fra. Por la misma razn, monte la Columna en la ubicacin ms alta posible en la Superficie de trabajo adicional con el fin de crear una cabeza sustancial de corriente de agua arriba de la Unidad de refrigeracin. Nota: Si el controlador que usted est usando como controlador de flujo FIC1 es el Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, usted puede consultar la figura 8-1 del apndice 8 para obtener detalles de cmo conectar la computadora L VPROSIM al mando de velocidad variable (SC1) de la Unidad de bombeo. Detectores de temperatura resistivos (DTR) MANDO DE VELOCIDAD VARIABLE I I I CONTROLADOR ~ UNIDAD DE REFRIGERACiN TRANSMISOR DE (TT\1 TEMPERATURA A DTR Y 1------lCONECTOR PUNTA DE LA SONDA DTR (NO INSERTAR DENTRO DE LA COLUMNA POR AHORA) Figura 2-7. Medicin de temperatura con un transmisor de temperatura a OTR. CONECTOR 2-21 Detectores de temperatura resistivos (DTR) 2-22 Figura 2-8. Montaje sugerido para el diagrama de la figura 2-7 (consulte la tabla en la prxima pgina para la ubicacin de los componentes). Detectores de temperatura resistivos (DTR) G): Columna @ : Unidad de refrigeracin @ : Unidad de calefaccin @: Sonda OTR @ : Transmisor de caudal a turbina : Transmisor de temperatura a OTR @ : Unidad de bombeo : Fuente de alimentacin cc o 15. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefaccin: Interruptor S1 . ... .. . . . . . . . .. ...... ... .. . ... .. .. .. . 2 Perilla de control manual . . . . . . . . . . . . completamente girada en sentido antihorario En la Unidad de refrigeracin: Interruptor S1 . . . . . . .. .. ... . 1 . . . i ....... ..... . ..... 2 Perilla de control manual ..... . : ., .... completamente girada en sentido antihorario Interruptor S2 .. .. . .. ............. ..... ........... ji En el Transmisor de temperatura a OTR: Interruptor SELECTOR ........... .... .. .. ........ OTR Nota: La SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR an debe estar calibrada para un rango de medicin de tempe-ratura de 25-55 oC (77-131 F) de acuerdo a lo realizado en la primera parte del ejercicio. o 16. Energice la Unidad de calefaccin: Conecte el cable de la lnea ca de esta unidad a un toma de corriente. Lleve el interruptor ALIMENTACiN a la posicin 1. o 17. Energice la Unidad de refrigeracin y el Transmisor de caudal a turbina conectando sus terminales de ALI M ENT ACiN a la fuente de alimentacin de 24 V CC. 2-23 Detectores de temperatura resistivos (DTR) 2-24 Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna D 18. Verifique que el controlador de flujo FIC1 est en modo manual (lazo abierto). Lleve la salida de este controlador a 0% (O V). D 19. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador est apretada firmemente. D 20. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviacin est instalada correctamente en la parte inferior del tanque. D 21. Encienda la Unidad de bombeo llevando el interruptor ALIMENTACiN a la posicin l. D 22. En la Unidad de bombeo, ajuste las vlvulas HV1 hasta HV3 como sigue: HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario). D 23. Haga que el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo rote a velocidad mxima: con el controlador FIC1 en modo manual (lazo abierto), lleve la salida del controlador a 100% (5 V). D 24. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algn nivel intermedio. Esto forzar al aire para que salga de los componentes corriente abajo de la Columna. Nota: Si la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador en la Columna no ha sido apretada firmemente, el aire podr escaparse de la Columna y el nivel de agua no se estabilizar en la misma. Si esto ocurre, detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Abra las vlvu-las HV1 y HV2 de la Unidad de bombeo para drenar la Columna hacia el tanque. Cuando la Columna est vaca, apriete la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador en la Columna con ms fuerza. Luego reinicie el procedimiento desde el paso 22. Colocacin del sistema en modo de recirculacin de agua Detectores de temperatura resistivos (DTR) Nota: En los siguientes pasos, usted colocar el sistema en modo de recirculacin de agua mediante el ajuste de las vlvulas de la Unidad de bombeo de tal forma que dirijan el flujo de retorno directamente hacia la entrada de la bomba y no hacia el tanque. Esto reducir el tiempo requerido para aumentar o disminuir la temperatura del agua del proceso. Por la misma razn, el nivel de agua en la Columna se ajustar a un nivel bajo y mnimo de 7,5 cm (3 pulg.). o 25. En la Unidad de bombeo cierre la vlvula HV1 , lo cual causar que el nivel de agua aumente adiciOnalmente en la Columna. Luego ajuste la vlvula HV3 para dirigir el flujo de retorno directamente hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario). o 26. En la Columna, retire la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna. (El nivel de agua en la Columna permanecer estable). o 27. En la Unidad de bombeo, abra la vlvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta vlvula. o 28. Reajuste la salida del controlador FIC1 hasta que obtenga una lectura de 4,0 V aproximadamente en la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustar el caudal en aproximadamente 4 I/min (1,1 gal-EU/min). Nota: Son normales algunas pequeas variaciones continuas de unas pocas dcimas de voltios alrededor del valor medio ajustado de 4,0 Ven la salida del transmisor de caudal. Sin embargo, grandes variaciones de uno o ms voltios son anormales e indican que ha entrado aire al sistema a travs de un conector o componente desapretado en el lado de succin de la bomba. Si ocurre esto, detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para drenar la columna hacia el tanque. Cuando la Columna est vaca, revise el interior del conector en la manguera de la lnea de retorno de la Unidad de bombeo para verificar que no haya mugre o partculas. Tambin, revise los anillos tipo "o" (O-rings) en los dos conectores de manguera de la Unidad de refrigeracin por si tienen alguna fisura o estn quebrados. Una vez haya localizado y eliminado la causa del escape, reconecte el sistema como se muestra en la figura 2-7 y reinicie el procedimiento desde el paso 19. 2-25 Detectores de temperatura resistivos (DTR) 2-26 Medicin de temperatura con el DTR D 29. Inserte la sonda DTR completamente dentro de la Columna para que su punta sea sumergida en el agua. D 30. Pinte sobre el registrador del controlador FIC1 la seal a la SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR. Ajuste la tasa de actualizacin del registrador (intervalo de muestreo) con el fin de poder supervisar la seal del transmisor, sobre un periodo de 10 minutos aproximadamente. Nota: Si el controlador que usted est usando como controla-dor FIC1 es el Software de simulacin y de control de procesos (L VPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, consulte la figura 8-5 del apndice 8 para obtener detalles de cmo conectar la computadora L VPROSIM al Transmisor de temperatura a DTR. En la Interfaz E/S, verifique que el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALGICA 1 est ajustado en 5 V. En el L VPROSIM, seleccione la entrada analgica 1 de la lista de seleccin del Registrador para que la seal del Transmisor de temperatura a DTR sea dibujada sobre el registrador. Ajuste el intervalo de muestreo del L VPROSIM en 1500 ms. Acceda a la ventana Configuracin de las entradas analgicas yajuste los valores mnimo y mximo del rango de la entrada analgica 1 en 25 y 55 oC (77 y 131F), respectivamente, lo cual corresponde al rango de medicin actual del Transmisor de temperatura a DTR. Ajuste la constante de tiempo del filtro de esta entrada en 0,5 segundos. Verifique que no est seleccionada la funcin de extraccin de la raz cuadrada. Acepte la configuracin y regrese a la pantalla principal. D 31. En el registrador, observe la seal de salida del Transmisor de temperatura a DTR. Debido a que no se aplica potencia elctrica al calefactor de la Unidad de calefaccin, tericamente el agua en la Columna debe estar a temperatura ambiente. Asumiendo que la temperatura ambiente est por debajo de 25C (7JOF), el nivel de la seal del Transmisor de temperatura a DTR debera estar al 0% de la gama en el registrador, ya que la temperatura mnima que el transmisor puede detectar ha sido ajustada a 25C (7JOF). An as, se puede observar que la seal del Transmisor de temperatura a DTR est en algn nivel ms alto, debido a que un poco de energa trmica es transferida hacia el agua de circulacin principalmente desde la resistencia de rozamiento de las partes internas de la bomba. Detectores de temperatura resistivos (DTR) o 32. En la Unidad de calefaccin, lleve la perilla de control manual a la posicin media. En el registrador, observe qu le pasa a la temperatura del agua en la Columna. Ahora que se aplica potencia elctrica al calefactor de la Unidad de calefaccin, la energa trmica se transfiere desde este elemento hacia el agua de circulacin. Como consecuencia, la temperatura del agua debe aumentar en la Columna. Observa esto? o S O No o 33. Deje que la temperatura del agua en la Columna aumente hasta aproxima-damente 45 C (113F) o 67% de la gama, luego gire la perilla de control manual de la Unidad de calefaccin completamente en sentido antihorario para detener la entrega de potencia elctrica a el calefactor. De acuerdo con la seal de salida del Transmisor de temperatura a DTR en el registrador, aument linealmente con el tiempo la temperatura del agua en la Columna? Cunto le tom a la temperatura aumentar desde la temperatura inicial hasta la temperatura final de 45 C (113 F)? o 34. En la Unidad de refrigeracin, gire la perilla de control manual completa-mente en sentido antihorario. Qu le pasa a la temperatura del agua en la Columna? o 35. Permita que la temperatura del agua en la Columna disminuya. De acuerdo con la seal de salida del Transmisor de temperatura a DTR, disminuye linealmente con el tiempo la temperatura del agua en la Columna? Explique. o 36. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando la salida del controlador FIC1 a 0%. 2-27 Detectores de temperatura resistivos (DTR) 2-28 o 37. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefaccin y la Fuente de alimentacin cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiN a la posicin O. o 38. Abra completamente la vlvula HV1 de la Unidad de bombeo y permita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque. La Columna tambin se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeracin y reconectndolo a cualquiera de los puertos de retorno auxiliares en la Unidad de bombeo. o 39. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento. iADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras y componentes. Durante la desconexin de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los compo-nentes elctricos o a sus terminales. o 40. Seque todos los residuos de agua en el piso yen el Sistema didctico en control de procesos. CONCLUSiN En este ejercicio, se familiariz con el funcionamiento de un transmisor de temperatura a DTR en los modos de calibracin fijo y variable. Aprendi que en el modo de calibracin fijo, el rango de medicin de temperatura es fijo e igual a 0-1Q0C (32-212F). Que en el modo de calibracin variable, el rango de medicin de temperatura se puede ajustar y obtener una gama mxima de 30C (54F). Debido a que esta gama es ms angosta que la gama de 100 C (180 F) del modo de calibracin fijo, el modo de calibracin variable provee mayor exactitud en la medicin para cualquier rango dado de salida del transmisor. PREGUNTAS DE REVISiN 1. Qu es un DTR? Cmo funciona? 2. Cules son los tres metales comnmente usados para los DTR? Cules son las ventajas y limitaciones de cada metal? Detectores de temperatura resistivos (DTR) 3. Enuncie y describa dos importantes caractersticas de los OTR. 4. Cmo se mide tradicionalmente el voltaje producido en un OTR? 5. Por qu los OTR estn disponibles en versin trifilar? Explique. 2-29 2-30 Termopares Ejercicio 2 -2 OBJETIVO DEL EJERCICIO Explicar cmo funcionan los termopares; Describir la relacin entre la temperatura y el voltaje gener~do por un termopar; Definir los siguientes trminos: efecto Seebeck, juntura el) fro, juntura de referencia y compensacin de la juntura en fro. PRINCIPIOS El efecto Seebeck En el siglo 19, un cientfico alemn llamado Thomas Seebeck realiz la siguiente observacin: Si dos alambres hechos de metales diferentes se unen en ambos extremos y una de las junturas es calentada, fluir una corriente a travs de los mismos. ~ ;. , Este fenmeno, llamado efecto Seebeck, se ilustra en la figura 2-9. ALAMBRE DE COBRE (CU) JUNTURA NO CALENTADA (FRA) JUNTURA CALENTADA (CALIENTE) ALAMBRE DE CONSTANTAN (C) Figura 2-9. El efecto Seebeck. Si se abre el circuito en la juntura en fro (no calentada), aparecer un voltaje, llamado voltaje de Seebeck, en los extremos abiertos de los alambres, como lo muestra la figura 2-1 O. Entre mayor sea la diferencia de temperatura entre la juntura caliente (calentada) y los extremos abiertos de los alambres, mayor ser el voltaje de Seebeck. 2-31 Termopares 2-32 EXTREMOS ABIERTOS CU r-------~--+-----------------------------1 1 1 + VOLTAJE Q DESEEBECK V 1 -1 1 - -- -- ---~-------------------------------/ C Figura 2-10. Voltaje de Seebeck. JUNTURA CALENTADA (CALIENTE) El efecto Seebeck es un principio importante de la medicin de temperatura: forma la base para el uso de los termopares. Termopares Un termopar es un elemento primario que se utiliza para medir temperatura. El termopar consta de un par de alambres hechos de metales o aleaciones diferentes que estn unidos en un extremo para formar una juntura. Cuando existe un diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres, se genera un pequeo voltaje de unos pocos milivoltios en tales extremos debido al efecto Seebeck. La magnitud del voltaje generado depende de la diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres, y de la composicin de los alambres. Tipos de termopares Hay varios tipos de termopares usados en la industria. Cada tipo se identifica por una letra que indica una relacin especfica entre el voltaje y la temperatura. La figura 2-11 , por ejemplo, muestra la relacin entre la temperatura de la juntura y el voltaje generado para los tipos de termopares ms comunes. La temperatura de la juntura se mide con respecto a una temperatura de referencia de QOC (32F), la cual corresponde al punto de fusin del hielo. En todos los tipos de termopares , la magnitud del voltaje generado vara en proporcin directa a la temperatura de la juntura. Los termopares tipo J y K son ms sensibles que los termopares tipo R y S. Esto implica que el voltaje generado por los tipos J y K variar ms que el generado por los tipos R y S ante una variacin dada en la temperatura de la juntura. Sin embargo, los tipos J y K tienen un rango de medicin de temperatu-ra ms angosto que los tipos R y S. Termopares El termopar tipo T tiene el rango de medicin de temperatura ms angosto, pero tiene una relacin voltaje contra temperatura muy lineal. VOLTAJE (mV) 80 70 ... TIPO"J" 60 TIPO "K" 50 40 30 20 TIPO"R" 10 1000 1500 CC) O+---~~------~,---------~-,--------L--,----~~ TEMPERATURA DE LA JUNTURA 32 1000 2000 3000 CF) Figura 2-11. Relacin de voltaje en funcin de la temperatura para los tipos de termopares comunes. Como lo muestra la tabla 2-1 , es una prctica comn asociar cada tipo de termopar con una composicin de alambre particular, aunque hablando en sentido estricto, un tipo de termopar ms bien se refiere a una relacin voltaje contra temperatura especfica. TIPO DE TERMOPAR COMPOSICiN DE LOS DOS ALAM-BRES J Hierro-constantan K Cromo-aluminio RoS Platino-platino/rodio T Cob re-constantan Tabla 2-1. Tipos comunes de termopares usados en la industria. 2-33 Termopares 2-34 Proteccin del termopar Los alambres del termopar estn cubiertos usualmente por un material de aislamiento trmico y una envoltura para evitar que los mismos estn expuestos al ambiente del proceso. Como consecuencia, slo la juntura del termopar est expuesta al proceso. La juntura del termopar est diseada de tres formas diferentes que son: al descubierto, con conexin a tierra y sin conexin a tierra. Con el diseo al descubierto, la juntura del termopar se sale de la punta de la envoltura, as que queda directamente expuesta al proceso. Este diseo provee el mejor tiempo de respuesta, pero no protege la juntura de materiales peligrosos o corrosivos. Adems, este diseo no se puede usar con fluidos de proceso conductivos. Con el diseo sin conexin a tierra, la juntura del termopar est cubierta por la envoltura, pero est aislada de la misma mediante un material de aislamiento. Este diseo se puede usar en procesos corrosivos, pero provee un tiempo de respuesta ms lento que el diseo al descubierto. Con el diseo con conexin a tierra, la juntura del termopar est cubierta por la envoltura y la toca, lo cual asegura buena transferencia de energa trmica entre el proceso y la juntura. Este diseo se puede usar en procesos corrosivos y provee un tiempo de respuesta ms rpido que el diseo sin conexin a tierra. Los termopares se instalan algunas veces en un tubo de proteccin angosto hecho de acero o aleacin de acero inoxidable que es denominado termopozo. El termopozo permite que el termopar sea insertado o retirado fcilmente del proceso sin necesidad de esfuerzo mecnico y sin abrir el proceso. Adems, el termopozo protege al termopar contra materiales corrosivos o peligrosos. Observe, sin embargo, que el termopozo tiende a aumentar el tiempo de respuesta del termopar, debido a la resistencia trmica de la envoltura entre la juntura del termopar y el ambiente. Medicin del voltaje generado por un termopar Mediante la medicin del voltaje producido por un termopar se puede obtener una seal proporcional a la temperatura de la juntura del termopar. Esta seal se puede acondicionar en una corriente, voltaje o presin de rango normalizado que sea adecuada para instrumentacin y control. Adems, cualquier voltaje dado producido por un termopar se puede relacionar con una temperatura especfica de la juntura usando ecuaciones matemticas o consultando la relacin voltaje contra temperatura del termopar. La mayora de los fabricantes publican curvas o tablas que muestran esta relacin. Desafortunadamente, la medicin del voltaje producido por un termopar no es tan simple como parece. Esto se debe a que la conexin de un voltmetro, de manera directa o por intermedio de alambres de extensin, sobre una juntura del termopar, Termopares VOLTMETRO crea dos junturas adicionales que se traducen en voltajes parsitos no deseados cuando los metales o aleaciones que se encuentran en estas junturas son diferentes. La figura 2-12 muestra un ejemplo, en el cual un voltmetro est conectado directamente a travs de un termopar tipo T. El objetivo es medir el voltaje V, con el fin de determinar la temperatura exacta a la cual est la juntura del termopar J,. Los alambres del termopar estn hechos de cobre (CU) y constantan (c), mientras que los terminales del voltmetro estn ambos hechos de cobre. Los puntos donde los terminales del voltmetro y los alambres del termopar se ~ncuentran producen dos junturas adicionales, J2 y J3 : La juntura J2 es una juntura cobre cobre, as que no produce voltaje parsito indeseado. Como consecuencia, V2 = O. La juntura J3, sin embargo, es una juntura cobre constantan y por tanto produce un voltaje parsito indeseado, V 3' debido al efecto Seebeck. Este voltaje se resta del voltaje V" causando que la lectura del voltmetro sea V, - V3 y no solamente V,. Como consecuencia, la lectura del voltmetro es proporcional a la diferencia de temperatura entre J, y J3 Y no slo a la temperatura de J,. CU TERMINALES DEL VOLTMETRO TERra,OPAR TIPO T r------------- --------------- I CU I + I I I I I I v, J, I ~+V3 -,-------~--------------~ 0 1 CU e L _____ ___ __ _ ______ _____ ______ ~ Figura 2-12. Medicin del voltaje generado por un termopar. Una forma de resolver el problema es determinando primero la temperatura exacta de J3 . Basndose en la relacin voltaje contra temperatura para J 3 , la contribucin de voltaje de esta juntura se puede determinar y sumar al voltaje medido para encontrar el voltaje generado slo por J,. Sin embargo, este mtodo no es muy prctico y, por tanto, rara vez es usado. Una aproximacin ms popular consiste en establecer J 3 como la juntura de referencia, lo cual puede hacerse usando uno de los siguientes mtodos: Un mtodo es forzar la juntura J3 a una temperatura constante bien conocida. Esto se hace usualmente colocando a J3 dentro de un bao de hielo a OC (32F) , como lo muestra la figura 2-13 (a). De esta forma, la lectura del ' voltmetro est referenciada a OC (32F) y se puede convertir directamente en temperatura consultando la relacin voltaje contra temperatura del termopar, la cual , segn se estableci previamente, tambin est referenciada a OC (32 F). 2-35 Termopares cu cu 2-36 Debido a la prctica comn de mantener J3 a la referencia del punto de hielo de QOC (32F) , J3 se conoce usualmente como la juntura en fro. Si por alguna razn J3 no se puede llevar a esta temperatura, la relacin voltaje contra temperatura an puede usarse aplicando un factor de correccin a la lectura del voltmetro. Otro mtodo consiste en usar una fuente de voltaje CC variable para simular electrnicamente una referencia del punto de hielo en J3 , como lo muestra la figura 2-13 (b). La temperatura de J3 es medida por un DTR o un termistor. Basndose en la temperatura medida, la fuente genera el voltaje de compensa-cin requerido para que la lectura del voltmetro est referenciada a QOC (32F), como si J3 estuviera colocada en un bao de hielo. De esta manera, la lectura del voltmetro se puede convertir directamente en temperatura consultando la relacin voltaje contra temperatura del termopar. Este mtodo se conoce usualmente como compensacin electrnica de la juntura en fro. CU cu cu J2 + J, + V3 - + e e BAO DE HIELO (a) Mtodo bao de hielo (b) Compensacin electrnica de la juntura en fro Figura 2-13. Establecimiento de J 3 como juntura de referencia. Sensibilidad del termopar ante el ruido Debido a que el voltaje generado por un termopar es muy pequeo, es muy sensible al ruido. Adems, los alambres del termopar actan como dos antenas que recogen ruido del ambiente. Como consecuencia, los niveles de ruido tpico de las fuentes de ruido tales como cableado elctrico cercano y tierras capacitivas, pueden afectar seriamente las mediciones de temperatura. Por consiguiente, es importante que el circuito usado para acondicionar la seal del termopar est bien blindado y sea de bajo ruido. Para reducir el ruido adicionalmen-te, la seal del termopar se puede pasar a travs de un filtro RC de paso bajo con una frecuencia de corte apropiada. Por ejemplo, un filtro de 4 Hz puede ser til para eliminar el ruido de la lnea de energa que puede ocurrir en plantas y laboratorios. Termopares Ventajas y limitaciones de los termopares Los termopares se utilizan ampliamente en maquinaria de control de procesos como elementos de medicin de temperatura para incineradores y hornos. Los termopares son simples, robustos y relativamente econmicos. Usualmente tienen un rango de temperatura ms amplio y un tiempo de respuesta ms rpido que los DTR. Sin embargo, los termopares son ms sensibles al ruido,que los DTR. Adems, los termopares necesitan una referencia para mediciones .de temperatura exactas porque los alambres aislados del medidor que tienen contcto con los alambres del termopar forman dos junturas adicionales que pueden prodcir voltajes parsitos indeseados. Sondas de termopar y mdulo Transmisor de temperatura a termopar del Sistema didctico en control de procesos El Sistema didctico en control de procesos viene con cuatro sondas de termopar del tipo J. Estas sondas se proponen para usarse en conjunto con los cuatro transmisores en el mdulo Transmisor de temperatura a termopar, como lo muestra la figura 2-14. Cada sonda de termopar tiene un conector polarizado que se adapta a la entrada TERMOPAR de cualquiera de los cuatro transmisors. El otro extremo de la sonda, que tiene un ajuste macho de rpida conexin, contiene la juntura del termopar y est diseado para ser conectado a cualquiera de los puertos de presin en los componentes del Sistema didctico para poder medir la temperatura del agua en stos. Cuando est conectada a un puerto de presin, la sonda de termopar produce un voltaje de Seebeck proporcional a la temperatura del agua en ese puerto. El transmisor de temperatura a termopar al cual se conecta la sonda, mide el voltaje de Seebeck y lo convierte en voltajes y corrientes normalizados que quedan disponibles a las SALIDAS del transmisor. Observe que cada transmisor de temperatura a termopar tiene un circuito electrnico que compensa automticamente los voltajes parsitos creados por la conexin de una sonda de termopar a la entrada TERMOPAR del transmisor. Adems, cada transmisor se puede calibrar por medio de una fuente de calibracin interna que simula el voltaje producido por una sonda de termopar para cualquier temperatura comprendida entre O y 100C (32 Y 212 F) . La fuente elimina la necesidad de llevar la sonda de termopar a una temperatura bien conocida cuando se realiza la calibracin de las SALIDAS del transmisor. La descripcin de los terminales y ajustes de cada transmisor de temperatura a termopar es idntica a la dada en la seccin PRINCIPIOS del ejercicio 2-1 para el Transmisor de temperatura a DTR, excepto en el caso de la entrada TERMOPAR. 2-37 Termopares 2-38 o o SONDA DE TERMOPAR FUENTE DE CAlIBRACION "OMAA +@ ~ ,,- ENTRADA -... SELECTOR ~UE'ijc.o,l ~~AA TERMOPAR SelECTOR 'UVfI"EOECAL ~ T[R~AA TERMOPAR CD TRANSMISOR DE TEMPERATURA A TERMOPAR .-CALlBRACIN --.. ...----NTRAD~ SELECTOR SELECTOR CERO GAMA ~~ FUENTEOEC ..... "OMAA"Q TE~AA __ SALIDAS ,~ TERMOPAR ----@--@ ~ CD _____ C~aRAC~N --.. ,,- ENTRAOA __ SELECTOR SELECTOR CERO GAMA "ij' ~O~.OMAA '~~ M o.,OO C [1;'-212"') -- SAL.IDAS,~ TERMOPAR ----@--@ CD ~ o .-CAlIBRACION--.. SELECTOR CERO GAMA "~~ "OMAA.o~ DH I2 "F\ .-SAUOAS,~ @----@--@ .-CALIBRACIN __ SELECTOR GAMA 00 IoIIN .....u""", IAAI: .- SALlDAS,~ ----@--@@ o AJUSTE MACHO DE RPIDA CONEXiN Figura 2-14. Sondas de termopar y Transmisor de temperatura a termopar del Sistema didctico. Termopares Nota: No se recomienda usar una sonda de termopar y el Transmisor de temperatura a termopar para medir la temperatura del agua en la Columna del Sistema didctico. La razn de esto es que es probable que resulten mediciones de temperatura inexactas de la conexin de una sonda de termopar con el puerto de presin inferior de la Columna, debido a un flujo de agua insuficiente en ese punto. En vez de eso se prefiere que sean usados la sonda DTR y el Transmisor de temperatu-ra a DTR para medir la temperatura del agua en la Columna. Resumen del procedimiento En este ejercicio, se comparar la constante de tiempo de un Transmisor de temperatura a DTR con la de un Transmisor de temperatura a termopar. Esto permitir determinar cul de estos transmisores responde ms rpidamente ante cambios abruptos (repentinos) en la temperatura. Nota: Para repasar cmo determinar la constante de tiempo de un dispositivo de medicin de temperatura, consulte "caractersticas dinmicas" en la seccin "PRINCIPIOS FUNDAMENTALES" de la Unidad 2. EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilizacin de los equipos, en el apndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio. PROCEDIMI ENTO Montaje preliminar D 1. Monte el mdulo Transmisor de temperatura a termopar, el Transmisor de temperatura a DTR y la Fuente de alimentacin cc de 24 V sobre la Superficie de trabajo. D 2. Energice la Fuente de alimentacin cc, el mdulo Transmisor de tempera-tura a termopar y el Transmisor de temperatura a DTR. D 3. Conecte la sonda DTR al Transmisor de temperatura a DTR. D 4. Conecte una sonda de termopar al transmisor TT1 del mdulo Transmisor de temperatura a termopar. Deje que las puntas de la sonda DTR y de la sonda de termopar descan-sen sobre la Superficie de trabajo. 2-39 Termopares 2-40 o 5. Haga los siguientes ajustes En el Transmisor de temperatura a termopar TT1: SELECTOR DE ENTRADA .. ... .... ... . .... TERMOPAR SELECTOR DE CALIBRACiN . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. FIJO En el Transmisor de temperatura a DTR: SELECTOR DE ENTRADA ....................... DTR SELECTOR DE CALIBRACiN . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. FIJO o 6. Grafique sobre el registrador de un controlador las seales a la SALI-DA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR y a la SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a termopar TT1. Ajuste la tasa de actualizacin del registrador a una velocidad alta. Nota: Si el controlador que usted est usando es el Software de simulacin y de control de procesos (L VPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, realice los siguientes pasos para graficar las seales de salida del transmisor de temperatura sobre el registrador del controlador: Conecte la SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR a la entrada analgica 1 de la Interfaz E/S, modelo 9065. Luego conecte la SALIDA 0-5 V del Transmi-sor de temperatura a termopar TT1 a la entrada analgica 2 de esta interfaz. En la Interfaz E/S, verifique que los interruptores RANGO de las entradas analgicas 1 y 2 estn en 5 V. En el L VPROSIM, seleccione las entradas analgicas 1 y 2 de la lista de seleccin del Registrador. Ajuste el intervalo de muestreo del L VPROSIM en 250 ms. Acceda a la ventana Configuracin de las entradas analgicas y ajuste los valores mnimo y mximo del rango de las entradas analgicas 1 y 2 en O y 100 C (32 Y 212 F) , respectiva-mente, lo cual corresponde al rango de medicin actual-mente calibrado en los transmisores. Lleve la constante de tiempo del filtro de las entradas analgicas 1 y 2 a O segun-dos. Verifique que la funcin de extraccin de la raz cuadrada de la entrada analgica 1 no est seleccionada. Acepte la configuracin y regrese a la pantalla principal. Medicin de las constantes de tiempo del Transmisor de temperatura a DTR y del Transmisor de temperatura a termopar o 7. Permita que el nivel de las seales de los dos transmisores de temperatura se estabilicen en el registrador. Termopares Nota: Es aceptable una diferencia de 1C (1,8 F) entre la temperatura ambiente medida por los dos transmisores. o 8. Sumerja simultneamente las puntas de la sonda DTR y de la sonda de termopar en un contenedor lleno con agua caliente (aproximadamente a 50C o 122F). o 9. Una vez que el nivel de las seales de salida del transmisor de temperatu-ra se ha estabilizado, ponga en pausa el registrador. . o 10. Usando la traza del registrador, determine la constante de tiempo aproximada, T, de cada transmisor de temperatura, en segundos. Anote sus resultados en la tabla 2-2. TRANSMISOR CONSTANTE DE TIEMPO Transmisor de temperatura a DTR Transmisor de temperatura a termopar t Tabla 2-2. Comparacin de las constantes de tiempo dEl los dos transmisores. o 11. Cunto ms pequea es la constante de tiempo del Transmisor de temperatura a termopar que la del Transmisor de temperatura a DTR? o 12. Asumiendo que el proceso de temperatura del Sistema didctico en control de procesos tiene una constante de tiempo aproximada de 400 segundos en modo de calefaccin o de refrigeracin, seran el Transmisor de temperatura a DTR y el Transmisor de temperatura a termopar apropiados como elementos de medicin de temperatura para realizar el control en lazo cerrado del proceso? Explique. o 13. Reajuste la tasa de actualizacin del registrador para poder supervisar la respuesta de las seales de salida del transmisor sobre un periodo de 10 minutos aproximadamente. Nota: Si el controlador que usted est usando es el L VPROSIM, aumente su intervalo de muestreo a 1500 ms. 2-41 Termopares 2-42 o 14. Retire simultneamente las puntas de la sonda DTR y de la sonda de termopar del agua caliente y colquelas sobre la Superficie de trabajo. Compare las curvas de respuesta de las seales de salida de los dos transmisores en trminos de la pendiente y del tiempo de estabilizacin. o 15. Apague la Fuente de alimentacin cc de 24 V. o 16. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres y componentes a su lugar de almacenamiento. CONCLUSiN En este ejercicio, se observ la diferencia en las constantes de tiempo entre un Transmisor de temperatura a DTR y un Transmisor de temperatura a termopar. Se vio que el Transmisor de temperatura a termopar tiene un tiempo de respuesta ms rpido que el Transmisor de temperatura a DTR. Una de las razones por las que esto ocurre es que la seccin de medicin del DTR es ms grande que la del termopar, causando que dicha seccin tome ms tiempo en aumentar o disminuir su temperatura. Tambin se observ que las constantes de tiempo de los dos transmisores no son significativas con respecto a la del proceso de temperatura del Sistema didctico en control de procesos. PREGUNTAS DE REVISiN 1. Qu es el efecto Seebeck? 2. Qu es un termopar? Cmo funciona? Termopares 3. Enuncie los tipos de termopares usados en la industria y la composicin de alambre asociada con cada uno de ellos. 4. Por qu la medicin del voltaje producido por un termopar no es tan simple como parece? 5. Qu significa compensacin de la juntura en fro? Describa dos mtodos de realizar la compensacin de la juntura en fro. . 2-43 2-44 Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura OBJETIVO DEL EJERCICIO Ejercicio 2-3 Determinar la tasa a la cual el agua gana o pierde energa trmica en un proceso de temperatura. Definir los siguientes trminos: capacidad trmica especfica y equilibrio de energa trmica. PRINCIPIOS Medicin de energa trmica Como se mencion anteriormente, la energa trmica est asociada con el movimiento aleatorio o desorganizado de las partculas que constituyen un cuerpo. En fluidos ideales, la energa trmica es toda energa cin~tica. En los slidos, la energa trmica es una combinacin de energa cin~ca y potencial. ,. En el sistema S.1. de unidades, la energa trmica, al igual que todas las "formas" de energa, se mide en julios (J). Debido a que el julio es una unidad relativamente pequea, es ms frecuentemente usado el kilojul io (kJ). En el sistema E.U. de unidades, la energa trmica se mide en unidades trmicas britnicas (Btu). 1 Btu es igual a 1054 J o 1,054 kJ. Capacidad trmica especfica Cualquier cuerpo se puede caracterizar por su capacidad trmica especfica. La capacidad trmica especfica se define como la energa trmica que el cuerpo debe ganar para que su temperatura aumente un grado, a una temperatura dada y para una presin o volumen dado. En el sistema S.I. de unidades, la capacidad trmica especfica se mide en julios por gramo grado Celsius (J/g .0C). En el sistema E.U. de unidades, la capacidad trmica especfica se mide en unidades trmicas britnicas por libra grado Fahrenheit (Btu/lbm .oF) . La capacidad trmica especfica de un cuerpo es una indicacin de su facultad para almacenar energa trmica. Entre ms grande sea la capacidad trmica especfica, mayor ser la facultad del cuerpo para almacenar energa trmica. 2-45 Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura 2-46 Energa trmica ganada o perdida por un cuerpo Siempre que ocurre una transferencia de energa trmica entre dos cuerpos, el cuerpo ms caliente pierde energa trmica mientras que el ms fro gana energa trmica. Esto produce que la temperatura de los dos cuerpos cambie, asumiendo que no hay cambio de fase . . La cantidad de energa trmica ganada o perdida por un cuerpo para cualquier cambio en la temperatura del mismo se puede determinar usando la siguiente frmula: E = m . llT . C p donde E = energa trmica ganada o perdida (J o Btu); m = masa del cuerpo (g o Ibm); llT = cambio de temperatura, igual a Ttinal - Tincial (OC o F); Cp = capacidad trmica especfica del cuerpo (J/g .oC o Btu/lbm F). El signo de E en la frmula anterior determina si el cuerpo ha ganado o perdido energa trmica. Cuando E es positivo (debido a que llT es positivo), el cuerpo ha ganado energa trmica y cuando E es negativo (debido a que llT es negativo), el cuerpo ha perdido energa trmica. La frmula indica que entre mayor sea la masa de un cuerpo, mayor es la cantidad de energa trmica que el cuerpo debe ganar para que su temperatura aumente una cantidad dada. Potencia En el contexto de transferencia de energa trmica, la potencia se puede definir como la tasa a la cual la energa trmica est siendo ganada o perdida por un cuerpo. La potencia es simplemente la energa dividida por el tiempo. En el sistema S.I . de unidades, la potenciase mide en vatios (W). Un vatio (1 W) es igual a un julio por segundo (1 J/s). En el sistema E.U. de unidades, la potencia se mide en unidades trmicas britnicas por segundo (Btu/s) cuando el tipo de energa involucrada es la trmica. 1 Btu/s es igual a 1054 W o 1,054 kW. La frmula para calcular la potencia, en el contexto de transferencia de energa trmica, es la siguiente: p E m . llT . C p Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura donde P = potencia, e.d. tasa de prdida o absorcin de energa trmica (Wo Btu/s); E = energa perdida o ganada (J o Btu); = tiempo (s); m = masa del cuerpo (g o Ibm); 6T = cambio de temperatura (OC o F); Cp = capacidad trmica especfica del cuerpo (J/g .oC o Btu/lbmoF). La frmula muestra que, para cualquier tasa dada de prdida o absorcin de energa trmica, entre mayor sea la masa de un cuerpo, mayor es el tiempo que toma a la temperatura del cuerpo cambiar una cantidad dada, Conversin de energa en un proceso de temperatura Todos los procesos requieren energa en alguna forma para realizar sus funciones. En un proceso de temperatura controlado en modo de calefaccin, por ejemplo, se requiere energa en forma trmica para aumentar la temperatura del mismo. Una forma comn de energa disponible en plantas es la elctrica. Como consecuencia, con frecuencia es necesario algn tipo de dispositivo convertidor de energa para transformar esta energa elctrica en otra forma de energa. ~ Como ejemplo, considere el proceso de temperatura d:1 Sistema didctico ilustrado en la seccin superior de la figura 2-15. El proceso implica una fase de calefaccin y una de refrigeracin. La fase de calefaccin consiste en adicionar energa trmica al agua, con el uso de una Unidad de calefaccin. En ese punto, la energa elctrica es convertida en energa trmica por la Unidad de calefaccin. La fase de refrigeracin consiste en retirar energa trmica del agua, con el uso de una Unidad de refrigeracin. En ese punto, los motores de los ventiladores de la Unidad de refrigeracin convierten la energa elctrica suministrada por el mando de velocidad variable en energa mecnica para hacer que los ventilado-res roten. Los ventiladores convierten la energa mecnica en energa cintica. La energa cintica se transmite a las partculas de aire en los alrededores de la Unidad de refrigeracin, creando una corriente de aire a travs de la misma. Siempre que la energa se convierte de una forma a otra, la salida de energa til es menor que la entrada de energa porque todos los dispositivos convertidores de energa tienen prdidas. En el proceso de la figura 2-15, por ejemplo, La energa trmica producida por la Unidad de calefaccin no es transferida toda al agua, ya que parte de esta energa est siendo perdida por conduccin y conveccin natural en el aire. De manera similar, la energa elctrica tomada por los motores de los ventilado-res de la Unidad de refrigeracin no se convierte toda en energa mecnica y la energa mecnica usada por los ventiladores no se convierte toda en energa cintica. 2-47 Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura PRDIDA DE ENERGA TRMICA I I I 0D NIVEL DE SALIDA DEL TRANSMISOR DE TEMPERATURA CONDICiN INICIAL T. PRDIDA DE ENERGA TRMICA , ~ t T \!f t ~ t t PRDIDA DE ENERGA TRMICA ENERGA ELCTRICA ENERGA CINTICA ENERGA MECNICA ENERGA ELCTRICA GANANCIA DE ENERGA ~ PRDIDA TRMICA ---- DE ENERG T2 -.... TRMICA -. EQUILIBRIO TRMICO TRANSMISOR T2 TRANSMISOR Ta TRANSMISOR T. TRANSMISOR T1 TIEMPO Figura 2-15. Proceso de temperatura del Sistema didctico 2-48 ~ ~ PR DE E TRI Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura Equilibrio de energa trmica Se dice que un proceso de temperatura est en equilibrio trmico o en equilibrio de energa trmica cuando la cantidad total de energa trmica que gana es igual a la cantidad total de energa trmica que pierde, de acuerdo con la siguiente relacin de equilibrio de energa: E ganada = E perdida donde E ganada = Energa trmica ganada (J o Btu); E perdida = Energa trmica perdida (J o Btu). Como ejemplo, considere nuevamente el proceso de temperatura de la figura 2-15: Cuando el sistema arranca inicialmente, el agua almacena una cierta cantidad de energa trmica que produce que la masa de agua est a temperatura ambiente aproximadamente. Como consecuencia, las salidas de los cuatro transmisores de temperatura, TT1 hasta TT 4, estn todos en el mismo nivel , como lo muestra la grfica en la seccin inferior de la figura 2-15. Como el agua circula a travs del circuito, gana energa trmica mediante la Unidad de calefaccin y tambin mediante las partes internas de la bomba. De otro lado, pierde energa trmica a travs de la UniGlad de refrigeracin y tambin a travs de las mangueras debido a la conJpcin forzada dentro de las mismas y a la conveccin natural en el aire. Debido a que la cantidad total de energa trmica ganada por el agua es mayor que la cantidad total de energa trmica perdida por s misma, la energa trmica es almacenada en ella, causando que su temperatura aumente en los cuatro transmisores de temperatura. La cantidad total de energa trmica almacenada por el agua en cualquier tiempo dado est determinada por la siguiente relacin de equilibrio de energa: E almacenada = E ganada - E perdida donde Ealmacenada = Energa trmica almacenada (J o Btu) ; Eganada = Energa trmica ganada (J o Btu) ; Eperdida = Energa trmica perdida (J o Btu). Mientras el tiempo pasa, cada vez se pierde ms energa trmica hacia el aire circundante debido al diferencial de temperatura en aumento entre el agua y el aire circundante. Como consecuencia, cada vez menos energa trmica es almacenada por el agua, causando que la temperatura del agua aumente a una tasa decreciente en los cuatro transmisores de temperatura. Si el proceso fuera abandonado, al final llegara a un estado de equilibrio trmico tal que la cantidad total de energa trmica ganada por el agua se hiciera igual a la cantidad total de energa trmica perdida por la misma. En ese punto, el agua deja de almacenar energa trmica, causando que la temperatura del agua deje de aumentar y se estabilice en los cuatro transmisores de temperatura. 2-49 Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura 2-50 En equilibrio, es posible determinar experimentalmente la tasa a la cual la energ trmica est siendo ganada o perdida por el agua entre dos puntos cualesquiera de circuito. Esto requiere que la temperatura del agua sea medida en los dos punto! deseados y que se use la siguiente frmula. Esta frmula es una variacin de l frmula anterior para el clculo de la potencia: Sistema 5./. de unidades (con e/ caudal expresado en unidades mtricas de //min) P = p . Q . LlT . Cp 60 s/min . 1000 11m3 donde P = tasa a la cual se gana o pierde energa trmica (W); p = densidad de masa del agua (g/m3) ; Q = caudal volumtrico del agua (1/min); LlT = diferencia de temperatura entre los dos puntos (oC) ; Cp = capacidad trmica especfica del agua (J/g OC). Sistema E. U. de unidades: p . Q . LlT . Cp P = --------------~----60 s/min . 7,48 gal EU/pies3 donde P = tasa a la cual se gana o pierde energa trmica (Btu/s) ; p = densidad de masa del agua (lbm/pies3); Q = caudal volumtrico del agua (gal EU/min); LlT = diferencia de temperatura entre los dos puntos (OF) ; Cp = capacidad trmica especfica del agua (Btu/lbm F). Por ejemplo, suponga que se quiere determinar la tasa a la cual la energa trmica es ganada por el agua mientras fluye a travs de la Unidad de calefaccin. En equilibrio, la temperatura del agua a la entrada de esta unidad, T1 , es 50C (122F), mientras que la temperatura del agua a la salida, T2 , es 55 C (131 F) . El caudal de agua es 2,0 I/min (0,528 gal EU/min), la densidad de masa del agua es 1000 kg/m3 (62,42 Ibm/ft3) y la capacidad trmica especfica del agua es 4,19 J/g . oC (1 ,00 Btu/lbm .oF). Como consecuencia, Sistema 5./. de unidades: P = 1000000 g/m 3 2,0 I/min . 5 oC 4,19 J/g . oC (W) 60 s/min . 1000 11m 3 = 698W Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura Sistema E. U. de unidades: P = 62,42 Ibm/ft 3 . 0,528 gal EU/min 9 F 1,00 Btu/lbm F (Btu/s) 60 s/min . 7,48 gal EU/min = 0,66 Btu/s Asumiendo que la Unidad de calefaccin est tomando la mxima potencia elctrica (nominal) de 1060 W (1,00 Btu/s), el resultado anterior indicara que cerca de un 66% de la energa trmica producida por la Unidad de calefaccin es absorbida por el agua y que el resto se pierde por conveccin en el aire circundante. Resumen del procedimiento En este ejercicio, se medir la temperatura del agua en diferentes puntos de un proceso de temperatura mientras que el proceso est en un estado de equilibrio trmico. Esto permitir determinar la tasa a la cual la energa trmica es ganada o perdida por el agua mientras fluye a travs de los componentes del circuito. EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilizacin de los equipos, en el ilpndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar .este ejercicio. PROCEDIMIENTO Montaje preliminar y calibracin de los transmisores de temperatura o 1. Conecte el sistema mostrado en la figura 2-16. La potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin ser controlada con un controlador, TIC1, colocado en modo manual (lazo abierto). La velocidad de rotacin de los ventiladores de la Unidad de refrigeracin ser controlada manualmente. Para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, se puede usar un segundo controlador (FIC1) colocado en modo manual (lazo abierto) o una fuente de voltaje CC de 0-5 V conectada a la entrada 0-5 V de este mando. Use los cuatro transmisores de temperatura a termopar para TT1, TT2, TT3 Y TT4. Nota: Si el controlador que usted est usando como controla-dor TlC1 es el Software de simulacin y de control de procesos (L VPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, consulte la figura 8-3 del apndice 8 para obtener detalles de cmo conectar la computadora L VPROSIM a la Unidad de calefaccin. 2-51 Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura Observe que se puede usar el generador de funciones de este software como una fuente de voltaje ce de 0-5 V para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Para hacer esto, conecte la computadora L VPROSIM a la entrada 0-5 V de este mando a travs de la salida analgica 2 de la Interfaz E/S, modelo 9065, como se indica en la figura 8-2 del apndice B. El generador de funciones L VPROSIM luego se puede ajustar para producir un voltaje de control ce entre O y 5 V, segn se explica en la seccin Generador de funciones del apndice F. G) (f) 2-52 I I I (1) I I I I I I I I I I I I I I Cf) I I I I I d) I I I I I I I I I I I I I I J---,I---'CONECTOR I I I I I I I I I I I I I @ Figura 2-16. Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura. o 2. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefaccin: I I I I I I I I I I I I I I CONECTOR C1 Interruptor S1 ........... . ......................... 1 Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura En la Unidad de refrigeracin: Interruptor S1 . . ..... . ................ ..... .... .... 2 Perilla de control manual . ....... . . .. completamente girada en sentido antihorario Interruptor S2 . . .................. ... ..... . . . ..... TT En cada Transmisor de temperatura a termopar: SELECTOR DE ENTRADA. . . . . . . . . . . . . FUENTE DE CAL. SELECTOR DE CALIBRACiN ............... VARIABLE Perilla de ajuste CERO . . ... . . .. . . .. . .. . . . .. . .... MX. Perilla de ajuste GAMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. MX. o 3. Verifique que el controlador TIC1 est en modo manual (lazo abierto). Lleve la salida de este controlador a 0% (O V) . o 4. Verifique que el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo sea O V. Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la amplitud del generador en O y la desviacin en 0%. o 5. Energice la Fuente de alimentacin cc, la Unidad de calefaccin, la Unidad de refrigeracin, el Transmisor de caudal a turbina y el mdulo Transmisor de temperatura a termopar. o 6. Calibre la SALIDA 0-5 V de cada uno de los cuatro Transmisores de temperatura a termopar de tal forma que el voltaje en sta pase desde 0,0 hasta 5,00 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibracin aumente desde 25 hasta 55C (77 hasta 131 F), respectiva-mente. Nota: Utilice el mtodo descrito en los pasos 8 hasta 11 del procedimiento del ejercicio 2-1 para calibrar la SALIDA 0-5 V de los transmisores usando su fuente de calibracin. o 7. Ahora que los cuatro Transmisores de temperatura a termopar estn calibrados, lleve el interruptor SELECTOR DE ENTRADA de cada transmisor a TERMOPAR. 2-53 T ransterenCla ae energla Ierrnlca en un proceso de temperatura 2-54 Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna o 8. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador est apretada firmemente. o 9. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviacin est instalada correctamente en la parte inferior del tanque. o 10. Encienda la Unidad de bombeo llevando su interruptor ALIMENTACiN a la posicin l. o 11. En la Unidad de bombeo, ajuste las vlvulas HV1 hasta HV3 como sigue: - HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; - Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario). o 12. Aplique un voltaje CC de 5 V a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para hacer que ste rote a velocidad mxima. Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la desviacin del generador en 100%. o 13. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algn nivel intermedio. Esto forzar al aire para que salga de los componentes corriente abajo de la Columna. Colocacin del sistema en modo de recirculacin de agua o 14. En la Unidad de bombeo, cierre la vlvula HV1. Luego ajuste la vlvu-la HV3 para dirigir el flujo de retorno hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario). o 15. En la Columna, retire la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna. o 16. En la Unidad de bombeo, abra la vlvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta vlvula. Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura o 17. Reajuste el voltaje CC aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo hasta que obtenga una lectura de 2,0 V aproximadamente en la salida uF (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustar el caudal en aproximadamente 2 I/min (0,53 gal EU/min). Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar el mando de velocidad variable, ajuste la desviacin del generador para obtener una lectura de 2,0 Ven la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina. Medicin de temperatura en equilibrio o 18. Grafique la seal de salida de cada Transmisor de temperatura a termopar (TT1 hasta TT 4 en la figura 2-16) sobre el registrador del controlador TIC1. Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el L VPROSIM, esto puede hacerse realizando los siguientes pasos: Conecte la SALIDA 0-5 V de los Transmisores de tempera-tura a termopar TT1 hasta TT 4 a las entradas analgicas 1 hasta 4 de la Interfaz E/S, modelo 9065. En esta interfaz, verifique que los interruptores RANGO de las. entradas analgicas 1 hasta 4 estn en 5 V. En el L VPROSIM, seleccione las entradas analgicas 1 hasta 4 de la lista de seleccin del Registrador. Ajuste el intervalo de muestreo del L VPROSIM en 1250 ms. Acceda a la ventana Configuracin de las entradas analgicas y ajuste los valores mnimo y mximo del rango de las entradas analgicas 1 hasta 4 en 25 y 55 oC (77 y 131 F), respectivamente. Ajuste la constante de tiempo del filtro de cada una de estas entradas en 3 segundos. Verifique que no est seleccionada la funcin de extraccin de la raz cuadrada en la entrada analgica 1. Acepte la configuracin y regrese a la pantalla principal. o 19. En la Unidad de refrigeracin, lleve la perilla de control manual a la posicin media. o 20. Ajuste la salida del controlador TIC1 en 100% para aplicar la mxima potencia elctrica al calefactor de la Unidad de calefaccin. Permita que las seales de los cuatro transmisores de temperatura aumenten en el registrador. Nota: Si la temperatura ambiente es inferior a 25 oC (7rF), las seales del transmisor permanecern en el 0% de la gama durante algn tiempo antes que comiencen a aumentar en el registrador, ya que la temperatura mnima que ellas pueden detectar ha sido ajustada a 25 oC (77 F). 2-55 Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura 2-56 o 21. Una vez que la temperatura a la salida de la Unidad de calefaccin (indicada por el transmisor de temperatura TT2) ha alcanzado cerca del 90% de la gama (52C/126F) en el registrador, reajuste la salida del controlador TIC1 para que esta temperatura deje de aumentar y se estabilice en dicho valor. Anote debajo el nivel de salida del controlador TIC1 requerido para que la temperatura a la salida de la Unidad de calefaccin se estabilice en aproximadamente el 90% de la gama. Nivel de salida del controlador TIC1: ___ % de la gama o 22. Ahora que la temperatura a la salida de la Unidad de calefaccin est estable en aproximadamente 90% de la gama, las seales de los transmisores de temperatura TT1 hasta TT 4 deben estar todas estables en el registrador, indicando que el proceso est en un estado de equilibrio trmico. Anote debajo las temperaturas medidas por TT1 hasta TT 4 en el estado de equilibrio. TRANSMISOR DE TEMPERATU- TEMPERATURA RA TT1 TT2 TT3 TT4 Tabla 2-3. Temperaturas medidas por TT1 hasta TT4 en equilibrio. o 23. Basndose en las temperaturas anotadas en la tabla 2-3, calcule la tasa a la cual la energa trmica est siendo ganada o perdida por el agua mientras fluye a travs de la Unidad de calefaccin, a travs de la Unidad de refrigeracin y a travs de los componentes (Columna y mangueras) entre estas dos unidades. Nota: Asuma que la densidad de masa del agua es 1000 kg/f7i3 (62,42 Ibm/pies'3) y que su capacidad trmica especfica es 4,19 J/g . oC (1 ,00 Btu/lbm .oF). En la Unidad de calefaccin: Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura En la Unidad de refrigeracin: En los componentes (Columna y mangueras) entre la salida de la Unidad de calefaccin y la entrada de la Unidad de refrigeracin: D 24. De acuerdo con los resultados obtenidos en el paso 23, es la tasa a la cual la energa trmica es ganada en la Unidad de calefaccin aproximada-mente igual a la tasa a la cual la energa trmica es perdida en la Unidad de refrigeracin y en los componentes entre la Unidad de calefaccin y la Unidad de refrigeracin? Explique. D 25. Basndose en el nivel de salida del controlador TIC1 anotado en el paso 21, determine la cantidad de potencia elctrica actualmente aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin, teniendo en cuenta que un nivel de salida del controlador de 100% significa que se aplica al calefactor la mxima potencia elctrica (nominal) de 1060 W (1,00 Btu/s). Nota: Asuma que existe una relacin lineal entre el nivel de salida del controlador TlC1 y la potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin. D 26. Asumiendo que la eficiencia de conversin de energa de elctrica a trmica es 100% en la Unidad de calefaccin, cunta de la energa trmica producida por esta unidad no es absorbida por el agua? A dnde va esta energa? 2-57 Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura 2-58 o 27. Pierde el agua energa trmica mientras fluye a travs de los componen-tes entre la salida de la Unidad de calefaccin y la entrada de la Unidad de refrigeracin? Si esto pasa, a dnde va esta energa? o 28. Ajuste la salida del controlador TIC1 en 0%. o 29. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de este mando a 0%. Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la desviacin del generador en 0%. iADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefaccin est protegida contra sobrecalen-tamiento, no debe aplicarse potencia elctrica al calefactor en ausencia de flujo de agua a travs de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe girarse completamen-te en sentido antihorario o que el voltaje o corriente aplicado por el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mnimo (O V o 4 mA) en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podra causar que la Unidad de calefaccin se desgaste prematuramente. o 30. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefaccin y la Fuente de alimentacin cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiN a la posicin O. o 31 . Abra completamente la vlvula HV1 de la Unidad de bombeo y permita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque. Nota: La Columna tambin se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeracin y reconectndolo a un puerto de retorno auxiliar en la Unidad de bombeo. o 32. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento. Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura iADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras y componentes. Durante la desconexin de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los compo-nentes elctricos o a sus terminales. D 33. Seque todos los residuos de agua en el piso y en el Sistema didctico en control de procesos. CONCLUSiN En este ejercicio, se midi la temperatura del agua en diferentes puntos de un proceso de temperatura en equilibrio trmico. Esto permiti determinar la tasa a la cual la energa trmica fue ganada o perdida por el agua mientras flua a travs de los componentes del circuito. Se vio que la tasa a la cual la energa trmica fue ganada por el agua fue aproximadamente igual a la tasa a la cual la energa trmica fue perdida por la misma. Esto ocurri porque el proceso estaba en equilibrio trmico. Una funcin fundamental del control de procesos de temperatl,!lra es actuar en el equilibrio trmico del proceso para mantener la temperatura dentro de lmites predeterminados, como se ver en la unidad 4. PREGUNTAS DE REVISiN 1. Qu significa "capacidad trmica especfica"? 2. Calcule la cantidad de energa trmica que una masa de 1 kg (2,205 Ibm) de agua debe ganar para que su temperatura aumente por un 1C (1 ,8 F), dada una capacidad trmica especfica de 4,19 J/g .oC (1,00 Btu/lbm .oF). 3. Qu significa "equilibrio de energa trmica" en el contexto de un proceso de temperatura? 2-59 Transferencia de energa trmica en un proceso de temperatura 2-60 4. Siempre que la energa es convertida de una forma a otra, por qu la salida de energa til es menor que la entrada de energa? 5. En el proceso de temperatura de la figura 2-15, por qu la temperatura del agua aumenta a una tasa decreciente mientras el proceso de temperatura se aproxima al estado de equilibrio trmico? Examen de la unidad 1. El coeficiente de temperatura de un metal es a. simbolizado por la letra griega alfa (o). b. el cambio promedio en su resistencia relativa por unidad de temperatura entre O y 100C (32 y 212F). c. usualmente medido en ohmios por ohmio grado Celsius (OC .,) o en ohmios por ohmio grado Fahrenheit (OF "). d. Todas las anteriores 2. La resistencia elctrica de un DTR a. vara en proporcin inversa a la temperatura. b. vara en mayor proporcin con la temperatura cuando el metal usado es platino que cuando el metal usado es nquel o cobre, a temperaturas superiores a 200C (392F) . c. es usualmente 100 (2 a OC (32 F), a menos que el fabricante especifique otra cosa. d. aumenta de manera perfectamente lineal sobre cualquier rango de temperaturas. 3. Cuando un puente Wheatstone se utiliza para medir el voltaje en un DTR, a. el puente primero debe tener balanceo nulo ajustando el DTR a OC (32 F). b. losresistores y fuente de alimentacin utilizados en el puente deben tener una buena estabilidad trmica para obtener mediciones exactas. c. la resistencia de los alambres aislados que conectan el DTR con el puente debe ser compensada si los alambres tienen una longitud superior a unos pocos centmetros (pulgadas) . d. Todas las anteriores 4. Cuando dos alambres son unidos en un extremo para formar una juntura, aparecer un voltaje en los extremos abiertos de los alambres si a. los alambres estn hechos de metales similares y existe una diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres. b. los alambres estn hechos de metales diferentes y existe una diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres. c. los alambres estn hechos de metales similares y no existe diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres. d. los alambres estn hechos de metales diferentes y no existe una diferencia de temperatura entre la juntura y los extremos abiertos de los alambres. 2-61 2-62 Examen de la unidad (cont.) 5. La relacin voltaje contra temperatura de un termopar a. indica que el voltaje generado por un termopar aumenta mientras la temperatura de su juntura aumenta. b. est usualmente referenciada a OC (32F). c. se puede usar para relacionar el voltaje generado por el termopar con una temperatura especfica. d. Todas las anteriores 6. En comparacin con los tipos de termopares R y S, los tipos de termopares J yK a. son ms sensibles. b. tienen un rango de medicin de temperatura ms amplio. c. son menos sensibles. d. (b) Y (c) 7. Si un voltmetro ideal (impedancia muy baja) con terminales de cobre se conecta a travs de un termopar tipo T, a. se producirn voltajes parsitos en ambos puntos de conexin. b. un voltaje parsito se restar del voltaje producido por la juntura del termopar. c. un voltaje parsito se sumar al voltaje producido por la juntura del termopar. d. la lectura del voltmetro ser proporcional a la temperatura de la juntura del termopar solamente. 8. Para cualquier tasa dada de prdida o absorcin de energa trmica, el duplicar la masa de un cuerpo causar que el tiempo requerido para que la temperatura del cuerpo cambie una cantidad dada a. aumente por cuatro. b. aumente el doble. c. disminuya a la mitad. d. disminuya a la cuarta parte. 9. Cul ser la temperatura de 1 kg (2,205 Ibm) de agua a 60 C (140F) si pierde 125,7 kJ (119,3 Btu) de energa trmica? a. 10C (50 F) b. 20C (68 F) c. 30C (86F) d. 40C (104F) Examen de la unidad (cont.) 10. Si una unidad de calefaccin de agua entrega una potencia elctrica de 3500 W (3,32 Btu/s), cunta de la energa trmica producida por esta unidad es absorbida por el agua por unidad de tiempo, si el aumento en la temperatura del agua es 10C (50F) y el caudal de agua es 4,0 I/min (1,06 gal EU/min)? a. 95% b. 88% c. 80% d. 75% 2-63 Unidad 3 Caracterizacin de procesos de temperatura OBJETIVOS DE LA UNIDAD Cuando haya completado esta unidad, usted ser capaz de caracterizar un proceso de temperatura en los modos de calefaccin y de refrigeracin. ' PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Determinacin de las caractersticas dinmicas de un proceso Mtodo de Ziegler-Nichols (grfico) Un mtodo para caracterizar un proceso es el mtodo de Ziegler-Nichols , o mtodo grfico, desarrollado en 1942 por John G. Ziegler y Nathaniel B. Nichols. Este mtodo fue expuesto en detalle en las secciones PRINCIPIOS de los ejercicios 2-4 y 5-5 del manual Lab-Volt del estudiante titulado Control de procesos dff. presin, caudal y nivel, nmero de parte 32621-02, y es resumido a continuacin para su beneficio. El mtodo de Ziegler-Nichols consiste en determinar las caractersticas dinmicas de un proceso, mediante el anlisis de la curva de respuesta de la variable controlada ante un cambio escaln en la variable manipulada. La curva de respuesta de la variable controlada se obtiene de la siguiente forma: con el proceso en modo de lazo abierto, se genera un cambio repentino (escaln) en la variable manipulada y se registra la reaccin de la variable controlada como funcin del tiempo. La figura 3-1 muestra las curvas de respuesta tpicas de un proceso de primer orden y uno de segundo orden. En ambos procesos, un cierto intervalo transcurre antes de que la variable controlada alcance el valor final o de estado de rgimen estacionario. Con el proceso de primer orden, sin embargo, la mxima pendiente de la curva de respuesta ocurre inmediatamente despus de que la variable controlada comienza a aumentar. Por su parte, en el proceso de segundo orden, la mxima pendiente ocurre despus de que la variable controlada ha comenzado a aumentar, dando la curva el aspecto de una "S" exagerada, como lo muestra la figura 3-1. Dibujando una tangente al punto de inflexin de la curva se pueden determinar las principales caractersticas del proceso que son: el tiempo muerto, la constante de tiempo y la ganancia del proceso. 3-1 Caracterizacin de procesos de temperatura 3-2 El tiempo muerto, tm, es el periodo de tiempo que transcurre antes de que la variable controlada responda al cambio escaln en la variable manipulada. La longitud del tiempo muerto depende de la velocidad con la cual el cambio escaln es recibido, procesado y ejecutado por los instrumentos y por el(los) elemento(s) de control, y tambin depende de la distancia sobre la cual ocurre el cambio escaln. La constante de tiempo, T, es el tiempo que le toma a la variable controlada alcanzar el 63,2% del aumento o reduccin total que sigue al cambio escaln en la variable manipulada. La variable controlada alcanza su valor de estado de rgimen estacionario despus de cinco constantes de tiempo. La magnitud de la constante de tiempo depende de los retardos de tiempo causados por la(s) capacitancia(s) y resistencia(s) del proceso. Entre mayores son la capacitancia(s) y resistencia(s) , mayor ser (ms lento) la constante de tiempo. La ganancia del proceso, K, indica cunto cambia la variable controlada ante un cambio dado en la variable manipulada. Se calcula dividiendo el cambio en la variable controlada por el cambio en la variable manipulada: . Cambio en la variable controlada (0;' de la gama) Ganancia del proceso = Cambio en la variable manipulada (% de la gama) Debido a que los cambios en las variables controlada y manipulada estn expresados en las mismas unidades, usualmente como un porcentaje de la gama, la ganancia del proceso es un nmero sin dimensiones que permite comparar las ganancias para procesos con diferentes rangos de operacin. El mtodo de Ziegler-Nichols es valioso usualmente para el estudio de procesos y para determinar las constantes de reglaje del controlador PI D requeridas para realizar el control en lazo cerrado del proceso. Mtodo de respuesta escaln en lazo abierto 28,3%-63,2% Cuando el tiempo muerto del proceso es muy corto, puede ser difcil medirlo exactamente usando el mtodo de Ziegler-Nichols. Como consecuencia, otro mtodo, llamado el mtodo 28,3%-63,2%, se utiliza en algunas ocasiones para determinar las caractersticas dinmicas del proceso. La figura 3-2 ilustra este mtodo para un proceso de primer orden: De manera similar al mtodo de Ziegler-Nichols, el mtodo 28,3%-63,2% consiste en analizar la curva de respuesta de la variable controlada ante un cambio escaln en la variable manipulada. o :5 o cr: f-Z o u w -' al : > o -' o cr: f-Z o u w -' al : > Caracterizacin de procesos de temperatura 100% 63,2 % 0 % CAMBIO ESCALN / I / I Iho ~ONs~;rl tm DE TIEMPO TIEMPO I MUERTO VALOR INICIAL PROCESO DE PRIMER ORDEN CON TIEMPO MUERTO TIEMPO TIEMPO I I VALOR DE ESTADO DE RGIMEN ESTACIONARIO --------.. 100% 63,2% 0% -~-------------- 7-------------I / I I --t------------I I I I I PUNTO DE INFLEXiN lo ~~ [ CONSTANTE tm DE TIEMPO ~OMUERTO VALOR INICIAL PROCESO DE SEGUNDO ORDEN CON TIEMPO MUERTO Figura 3-1. Mtodo de Ziegler-Nichols para la caracterizacin de procesos. 'o, TIEMPO 3-3 Caracterizacin de procesos de temperatura 100 % o 5 o 63.2 % a: >-z o W ..J 28.3% ID ~ > 0 % 3-4 Sin embargo, a diferencia del mtodo de Ziegler-Nichols, el mtodo 28,3%-63,2% no requiere que sea dibujada una lnea tangente en el punto de inflexin de la curva. En lugar de eso, requiere que sea medido el tiempo tomado por la variable controlada para alcanzar el 28,3% y el 63,2% del cambio total que sigue al cambio escaln en la variable manipulada, como lo muestra la figura 3-2. I I ~ CAMBIO ESCALN _ _ : ___ ~':~~:A:: R:~N ::C:N:I~ ______ ~ I I I --t----I I --.\--I I I I I I I PROCESO DE PRIMER ORDEN CON TIEMPO MUERTO I -j------1-L-I- -- - -- VALOR INICIAL I I I I t28.3%tW I ~t:32 %~ Figura 3-2. Mtodo 28,3%-63,2% para la caracterizacin de procesos. TIEMPO TIEMPO La constante de tiempo, T y el tiempo muerto, tm, del proceso se pueden calcular de la siguiente forma: T = 1,5 . (t 63.2% - t 28.3%) t m = t 632% - T Si se usa el mtodo de Ziegler-Nichols o el mtodo 28,3%-63,2%, es importante observar que el dispositivo de medicin utilizado para medir la variable controlada debe ser lo suficientemente rpido para detectar cambios rpidos en la variable Caracterizacin de procesos de temperatura controlada. De otra manera, hay una gran posibilidad de que la curva de respuesta del proceso sea la del canal de medicin, lo cual resulta en una caracterizacin incorrecta. Hablando en trminos generales, el dispositivo de medicin debe ser capaz de detectar cualquier cambio en la variable controlada en menor tiempo que el equivalente a una constante de tiempo del proceso. Tambin observe que los controladores actuales tienen usualmente una funcin de almacenamiento de datos que permite que los datos usados para dibujar las curvas de respuesta de la variable manipulada y la variable controlada s.ean guardados en memoria e importados dentro de un programa de hoja de clculo. Esta funcin se puede usar para medir las caractersticas dinmicas del proceso. 3-5 3-6 Ejercicio 3-1 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin OBJETIVO DEL EJERCICIO Caracterizar un proceso de temperatura en modo de calefaccin usando el mtodo de Ziegler-N ichols para la caracterizacin de procesos. PRINCIPIOS En este ejercicio, se va a caracterizar el proceso de temperatura del Sistema didctico usando el mtodo de Ziegler-Nichols descrito en la seccin introductora de la unidad. El proceso de temperatura estar en modo de calefaccin, como lo muestra la figura 3-3. La potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin ser controlada con un controlador, TIC1 . La velocidad de rotacin de los ventiladores de la Unidad de refrigeracin ser ajustada nljinualmente a un valor fijo. La variable manipulada ser la energa trmica producida por el calefactor de la Unidad de calefaccin. La variable controlada ser la temperatura del agua en la Columna. El controlador TIC1 se coloca en modo manual (lazo abierto) y su salida ser cambiada de repente con el fin de generar un cambio escaln en la potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin y por consiguiente, en la energa trmica producida por el mismo. La reaccin de la temperatura del agua en la Columna (seal de salida del transmisor TT1) ser registrada como funcin del tiempo y la funcin de almacenamiento de datos del controlador TIC se usar para determinar las caractersticas del proceso. 3-7 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin '------1..c 3-8 ? I I I ~ CONECTOR 1-----lCONECTOR PUNTA DE LA SONDA DTR (NO INSERTAR DENTRO DE LA COLUMNA POR AHORA) Figura 3-3. Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin. EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilizacin de los equipos, en el apndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio. PROCEDIMIENTO Montaje preliminar y calibracin del transmisor de temperatura o 1. Conecte el sistema mostrado en la figura 3-3. Como se mencion anteriormente, la potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin ser controlada con un controlador, TIC1. La velocidad de rotacin de los ventiladores de la Unidad de refrigeracin ser controlada manualmente. Para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, se puede usar un segundo controlador (FIC1) colocado en modo manual (lazo abierto) o una fuente de voltaje CC de 0-5 V conectada a la entrada 0-5 V de este mando. Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin Debido a que la Columna funcionar primero en modo presurizado, deje por ahora que la punta de la sonda DTR descanse sobre la Superficie de trabajo. Nota: Si el controlador que usted est usando como controla-dor TlC1 es el Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, consulte la figura 8-3 del apndice 8 para obtener detalles de cmo conectar la computadora L VPROSIM a la Unidad de calefaccin. Adems observe que usted puede usar el generador de funciones de L VPROSIM como una fuente de voltaje CC de 0-5 V para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Para hacer esto, conecte la computadora L VPROSIM a la entrada 0-5 V de este mando a travs de la salida analgica 2 de la Interfaz E/S, modelo 9065, como se indica en la figura 8-2 del apndice 8. El generador de funciones L VPROSIM luego se puede ajustar para producir un voltaje de control CC entre O y 5 V, segn se explica en la seccin Generador de funciones del apndice F. o 2. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefaccin: Interruptor S1 . . ... . . . . . . . . .. .............. .. ...... 1 En la Unidad de refrigeracin: Interruptor S1 ........... . ........ .... ... ... .... . .. 2 Perilla de control manual . . . . . . . . . . . . completamente girada en sentido antihorario Interruptor S2 .. . .. . ....... .. ....... . ... .. . . .. . ... TT En el Transmisor de temperatura a DTR (TT1): SELECTOR DE ENTRADA . . . . . . . . . . . .. FUENTE DE CAL. SELECTOR DE CALIBRACiN ........ .. ... . . VARIABLE Perilla de ajuste CERO .. . . . ...... . .... . .. . .. .. .. MX. Perilla de ajuste GAMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MX. o 3. Verifique que el controlador TIC1 est en modo manual (lazo abierto) . Lleve la salida de este controlador a 0% (O V) . o 4. Verifique que el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo sea O V. 3-9 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin 3-10 Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la amplitud del generador en O y la desviacin en 0%. o 5. Energice la Fuente de alimentacin ce, la Unidad de calefaccin, la Unidad de refrigeracin, el Transmisor de caudal a turbina y el Transmisor de temperatura a DTR. o 6. Calibre la SALI DA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR de tal forma que el voltaje en sta pase desde 0,0 hasta 5,00 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibracin sea aumentada desde 25 hasta 55C (77 hasta 131 F) , respectivamente. Nota: Utilice el mtodo descrito en los pasos 8 hasta 11 del procedimiento del ejercicio 2-1 para calibrar la SALIDA 0-5 V del transmisor usando su fuente de calibracin. o 7. Ahora que el Transmisor de temperatura a DTR est calibrado, lleve el interruptor SELECTOR DE ENTRADA de este transmisor a DTR. Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna D 8. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador est apretada firmemente. o 9. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviacin est instalada correctamente en la parte inferior del tanque. o 10. Encienda la Unidad de bombeo llevando su interruptor ALIMENTACiN a la posicin l. o 11. En la Unidad de bombeo, ajuste las vlvulas HV1 hasta HV3 como sigue: HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario) . o 12. Aplique un voltaje CC de 5 V a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para hacer que ste rote a velocidad mxima. Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la desviacin del generador en 100%. o 13. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algn nivel intermedio. Esto forzar al aire para que salga de los componentes corriente abajo de la Columna. Colocacin del sistema en modo de recirculacin de agua o 14. En la Unidad de bombeo, cierre la vlvula HV1. Luego ajuste la vlvu-la HV3 para dirigir el flujo de retorno completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario). o 15. En la Columna, retire la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna. o 16. En la Unidad de bombeo, abra la vlvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta vlvula . o 17. Reajuste el voltaje CC aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo hasta que obtenga una lectura de 4,0 V aproximadamente en la salida "C (caL)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustar el caudal en aproximadamente 4 I/min (1,1 gal EU/min). Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar el mando de velocidad variable, ajuste la desviacin del generador para obtener una lectura de 4,0 Vaproximadamente en la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina. Caracterizacin del proceso de temperatura o 18. Inserte la sonda DTR enteramente dentro de la Columna para que su punta sea sumergida en el agua. o 19. Grafique las siguientes seales en el registrador del controlador TIC1: Salida del Transmisor de temperatura a DTR (TT1); Salida del controlador TIC1. 3-11 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin 3-12 Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el L VPROSIM, consulte la figura 8-5 del apndice 8 para obtener detalles de cmo conectar la computadora L VPROSIM al Transmisor de temperatura a DTR TT1. En la Interfaz E/S, verifique que el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALGI-CA 1 est ajustado en 5 V. En el L VPROSIM, seleccione la entrada analgica 1 de la lista de seleccin del Registrador para graficar la seal de salida del Transmisor de temperatura a DTR TT1. Luego seleccione la salida analgica 1 de esta lista para graficar la seal de salida del controlador. Acceda a la ventana Configuracin de las entradas analgicas y establezca los valores del rango de salida mnimo y mximo de la entrada analgica 1 en 25 y 55 oC (77 y 131 F), respectivamente, lo cual corresponde al rango de medicin actualmente calibrado en el transmisor TT1 . Ajuste la constante de tiempo del filtro de esta entrada en 0,5 segundos. Verifique que la funcin de extraccin de la raz cuadrada de esta entrada no est seleccionada y luego acepte y regrese a la pantalla principal del L VPROSIM. D 20. Ajuste el intervalo de muestreo del controlador TIC1 en 1000 ms. D 21. En la Unidad de refrigeracin, lleve la perilla de control manual a la posicin media. D 22. Ajuste la salida del controlador TIC1 en 20% para aplicar potencia elctrica al calefactor de la Unidad de calefaccin. D 23. Espere hasta que el Transmisor de temperatura a DTR TT1 se estabilice en el registrador del controlador TIC1, lo cual podra tomar hasta 20 minutos. Una vez se ha estabilizado, anote debajo el nivel de esta seal, medido como porcentaje de la gama (5 V). ste ser el nivel inicial. Nivel inicial: ___ % de la gama o 24. En el controlador TIC1, inicie el almacenamiento de datos para comenzar a guardar en memoria los datos usados para graficar la salida del controlador y las seales de salida del transmisor de temperatura. Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el L VPROSIM, comience el almacenamiento de datos haciendo clic en el cuadro junto al icono de disco en la esquina superior izquierda del rea de visualizacin del registrador. Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin o 25. Aumente repentinamente la salida del controlador TIC1 desde 20% hasta 40% para generar un aumento escaln en la potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin. Permita que la seal del Transmisor de temperatura a DTR TT1 se estabilice en el registrador, lo cual debe tomar alrededor de 30 minutos, y luego detenga el almacenamiento de datos en el controlador. Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el L VPROSIM, detenga el almacenamiento de datos 30 minutos despus de hacer el cambio escaln en la salida del cohtrolador quitando la seleccin del cuadro junto al icono de disco. o 26. Ahora que el nivel de la seal del Transmisor de temperatura a DTR TT1 est estable, antelo debajo en funcin del porcentaje de la gama (5 V). ste es el nivel final. Nivel final: ___ % de la gama o 27. Detenga (ponga en pausa) el registrador. o 28. Importe los datos almacenados dentro de un programa de hoja de clculo, para poder determinar las caractersticas del proceso. Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el L VPROSIM, los datos almacenados estn en el archivo Tren-drec. txt bajo su carpeta de aplicacin L VPROSIM. o 29. Determine el cambio total en la seal de salida del Transmisor de temperatura a DTR que sigui al cambio escaln en la salida del controla-dor, midindolo sobre el porcentaje de la gama. Cambio total: ___ % de la gama o 30. Calcule la ganancia del proceso dividiendo el valor obtenido en el paso 29 por 20%, el cual fue el cambio en la salida del controlador TIC1 y por tanto, en la variable manipulada. Anote la ganancia en la tabla 3-1. Cambio en la salida del transmisor TT1 (% de la gama) Ganancia del proceso = ---------------~=-=-=-=~ Cambio en la salida del controlador (% de la gama) 3-13 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin 3-14 CARACTERSTICAS DEL PROCESO DE TEMPERATU-RA (modo de calefaccin) Ganancia del proceso, K Constante de tiempo, T Tiempo muerto, tm Tabla 3-1. Caractersticas del proceso de temperatura en modo de calefaccin. o 31. Determine la constante de tiempo del proceso, midiendo el tiempo que le tom al nivel de la seal del Transmisor de temperatura a DTR alcanzar aproximadamente el 63% del cambio total que sigui al cambio escaln en la salida del controlador. Anote esta constante en la tabla 3-1. o 32. Si es posible, determine el tiempo muerto del proceso midiendo la diferencia de tiempo entre cuando la salida del controlador fue cambiada y cuando el nivel de la seal del Transmisor de temperatura a DTR comenz a cambiar. Anote este tiempo en la tabla 3-1. o 33. Determine si el proceso de temperatura es de primer o de segundo orden. Explique. o 34. Ajuste la salida del controlador TIC1 en 0%. o 35. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de este mando a 0%. iADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefaccin est protegida contra sobrecalen-tamient.o, no d~be aplicarse potencia elctrica al c~lef~~tor en ausencia de fluJo de agua a travs de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe girarse completamen-te en sentido antihorario o que el voltaje o corriente aplicado P?r el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mnimo (O V 04 mA) en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podra causar que la Unidad de calefaccin se desgaste prematuramente. Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin o 36. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefaccin y la Fuente de alimentacin cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiN a la posicin O. o 37. Abra completamente la vlvula HV1 de la Unidad de bombeo y permita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque de esta unidad. Nota: La Columna tambin se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeracin y reconectndolo a un puerto de retorno auxiliar en la Unidad de bombeo. o 38. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento. ADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras y componentes. Durante la desconexin de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los compo-nentes elctricos o a sus terminales. o 39. Seque todos los residuos de agua en el piso y en el Sistema didctico en control de procesos. CONCLUSiN En este ejercicio, se caracteriz un proceso de temperatura en modo de calefaccin, usando el mtodo de Ziegler-Nichols para la caracterizacin de procesos. Pudo haber sido difcil medir el tiempo muerto del proceso exactamente, ya que ste es relativamente corto comparado con la constante de tiempo del proceso. Es importante conocer las caractersticas dinmicas de un proceso. stas se pueden usar para calcular las constantes P, I Y D del controlador requeridas para obtener la respuesta de amortiguamiento cuarto de amplitud cuando se real iza el control en lazo cerrado del proceso. Observe, sin embargo, que este mtodo de reglaje del controlador (determinacin de las constantes del controlador basndose en las caractersticas del proceso) dar resultados satisfactorios slo cuando el tiempo muerto del proceso es exactamente conocido y adems es mucho ms corto que la constante de tiempo. 3-15 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de calefaccin 3-16 PREGUNTAS DE REVISiN 1. Cul hubiera sido el efecto sobre la constante de tiempo del proceso, si se hubiera ajustado el nivel de agua en la Columna a un nivel superior? 2. Cul hubiera sido el efecto sobre la ganancia del proceso, si se hubiera usado una Unidad de calefaccin de mayor potencia elctrica nominal? 3. Cul hubiera sido el efecto sobre la ganancia del proceso, si se hubiera llevado la velocidad de rotacin de los ventiladores de la Unidad de refrigera-cin a una velocidad mayor? 4. Qu efecto tendra sobre la ganancia del proceso una reduccin en la eficiencia de conversin de energa elctrica a trmica dentro de la Unidad de calefaccin? 5. Sera la ganancia del proceso afectada por un aumento en la temperatura ambiente? Explique. Ejercicio 3-2 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin OBJETIVO DEL EJERCICIO Caracterizar un proceso de temperatura en modo de refrigeracin usando el mtodo 28,3%-63,2% para la caracterizacin de procesos. PRINCIPIOS En el ejercicio anterior, se caracteriz el proceso de temperatura del sistema didctico en modo de calefaccin usando el mtodo de Ziegler-Nichols para la caracterizacin de procesos. Pudo haber sido difcil medir el tiempo muerto del proceso exactamente, ya que este tiempo fue algo corto comparado con la constante de tiempo. La caracterizacin del proceso de temperatura del sistema didctico en modo de refrigeracin podra presentar el mismo problema, ya que el tiempo muerto de este proceso es algo corto comparado con la constante de tiempo del mismo. Como consecuencia, en este ejercicio se probar el mtodo 28,3%-63,2% para la caracterizacin de procesos para caracterizar el proceso de temperatura en modo de refrigeracin. Como lo muestra la figura 3-4, la velocidad de rotacin de los ventiladores de la Unidad de refrigeracin ser controlada con un controlador, TIC1 . La potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin ser ajustada manualmente a un valor fijo. La variable manipulada ser la diferencia de temperatura entre el tubo aletada de la Unidad de refrigeracin y el aire que es forzado por los ventiladores de la unidad a circular a travs de dicho tubo. La variable controlada ser la temperatura del agua a la salida de la Unidad de refrigeracin. El controlador TIC1 se coloca en modo manual (lazo abierto) y su salida ser cambiada de repente con el fin de generar un cambio rpido en la potencia elctrica aplicada a los ventiladores de la Unidad de refrigeracin y por consiguiente, en la velocidad de rotacin de los mismos. La reaccin de la temperatura del agua a la salida de la Unidad de refrigeracin ser registrada como funcin del tiempo y la funcin de almacenamiento de datos del controlador TIC1 se usar para determinar las caractersticas dinmicas del proceso. 3-17 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin I D f-------J CONECTOR I I I 0D Figura 3-4. Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin. EQUIPO REQUERIDO CONECTOR C1 Consulte la tabla de utilizacin de los equipos, en el apndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio. 3-18 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin PROCEDIMIENTO Montaje preliminar y calibracin del transmisor de temperatura o 1. Conecte el proceso mostrado en la figura 3-4. Como se mencion anteriormente, la velocidad de rotacin de los ventiladores de la Unidad de refrigeracin ser controlada con un controlador, TIC1. La potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin ser controlada manualmente. Para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, se puede usar un segundo controlador (FIC1) colocado en modo manual (lazo abierto) o una fuente de voltaje CC de 0-5 V conectada a la entrada 0-5 V de este mando. Nota: Si el controlador que usted est usando como controla-dor TlC1 es el Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, consulte la figura 8-4 del apndice 8 para obtener detalles de cmo conectar la computadora L VPROSIM a la Unidad de refrigeracin. Adems observe que usted puede: usar el generador de funciones de este software como una fente de voltaje CC para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Para hacer esto, conecte la computadora L VPROSIM a la entrada 0-5 V de este mando a travs de la salida analgica 2 de la Interfaz E/S, modelo 9065, como se indica en la figura 8-2 del apndice B. El generador de funciones L VPROSIM luego se puede ajustar para producir un voltaje de control CC entre O y 5 V, segn se explica en la seccin Generador de funciones del apndice F. o 2. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefaccin: Interruptor S1 .. . . ...... . . . ... . . ... . .. . . ....... . ... 2 Perilla de control manual ........... . completamente girada en sentido antihorario En la Unidad de refrigeracin: Interruptor S1 .. . . . . . ..... ... . . . . ... . .. .. . . . .. . . . .. 1 Interruptor S2 .. ... .. ....... .... .. . . . . . . . .. . ... . .. Ti 3-19 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin 3-20 En el Transmisor de temperatura a termopar TT1: SELECTOR DE ENTRADA ............. FUENTE DE CAL. SELECTOR DE CALIBRACiN . . . . . . . . . . . . . .. VARIABLE Perilla de ajuste CERO ... ..... .. . ..... ... ........ MX. Perilla de ajuste GAMA ........... .. .... . ......... MX. o 3. Verifique que el controlador TIC1 est en modo manual (lazo abierto). Lleve la salida de este controlador a 0% (O V). o 4. Verifique que el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo sea O V. Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la amplitud del generador en O y la desviacin en 0%. o 5. Energice la Fuente de alimentacin ce, la Unidad de calefaccin, la Unidad de refrigeracin, el Transmisor de caudal a turbina y el mdulo Transmisor de temperatura a termopar. o 6. Calibre la SALIDA 0-5 V del Transmisor de temperatura a termoparTT1 de tal forma que el voltaje en sta pase desde 0,0 hasta 5,0 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibracin sea aumentada desde 25 hasta 55C (77 hasta 131 F), respectivamente. Nota: Utilice el mtodo descrito en los pasos 8 hasta 11 del procedimiento del ejercicio 2-1 para calibrar la SALIDA 0-5 V del transmisor usando su fuente de calibracin. o 7. Ahora que el Transmisor de temperatura a termopar TT1 est calibrado, lleve el interruptor SELECTOR DE ENTRADA de este transmisor a TERMOPAR. Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna o 8. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador est apretada firmemente. o 9. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviacin est instalada correctamente en la parte inferior del tanque. Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin D 10. Encienda la Unidad de bombeo llevando su interruptor ALI MENT ACiN a la posicin 1. D 11. En la Unidad de bombeo, ajuste las vlvulas HV1 hasta HV3 como sigue: HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario). D 12. Aplique un voltaje CC de 5 V a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para hacer que ste rote a velocidad mxima. Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la desviacin del generador en 100%. D 13. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algn nivel intermedio. Esto forzar al aire para que salga de los componentes corriente abajo de l 90lumna. Colocacin del sistema en modo de recirculacin de agua D 14. En la Unidad de bombeo, cierre la vlvula HV1. Luego ajuste la vlvu-la HV3 para dirigir el flujo de retorno completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario). D 15. En la Columna, retire la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna. D 16. En la Unidad de bombeo, abra la vlvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta vlvula. D 17. Reajuste el voltaje CC aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo hasta que obtenga una lectura de 4,0 V aproximadamente en la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustar el caudal en aproximadamente 4 I/min (1 ,1 gal EU/min) . Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la desviacin del generador para obtener una lectura de 4, O V aproximadamente en la salida "e (cal.) " del Transmisor de caudal a turbina. 3-21 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin 3-22 Caracterizacin del proceso de temperatura o 18. Grafique las siguientes seales sobre el registrador del controlador TIC1 : Salida del Transmisor de temperatura a termopar TT1; Salida del controlador TIC1. Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el L VPROSIM, consulte la figura 8-6 del apndice 8 para obtener detalles de cmo conectar la computadora L VPROSIM al Transmisor de temperatura a termopar IT1 . En la Interfaz E/S, verifique que el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALGI-CA 1 est ajustado en 5 V. En el L VPROSIM, seleccione la entrada analgica 1 de la lista de seleccin del Registrador para graficar la seal de salida del Transmisor de temperatura a termopar IT1 . Luego seleccione la salida analgica 1 de esta lista para graficar la seal de salida del controlador sobre el registrador. Acceda a la ventana Configuracin de las entradas analgicas y establezca los valores del rango de salida mnimo y mximo de la entrada analgica 1 en 25 y 55 oC (77 y 131 F), respectivamente, lo cual corresponde al rango de medicin calibrado del transmisor IT1. Ajuste la constante de tiempo del filtro de esta entrada en 3 segundos. Verifique que la funcin de extraccin de la raz cuadrada de esta entrada no est seleccionada y luego acepte y regrese a la pantalla principal del L VPROSIM. o 19. En la Unidad de calefaccin, lleve la perilla de control manual a la posicin completamente en sentido horario para aplicar la mxima potencia elctrica al calefactor de esta unidad. o 20. Permita que la seal del Transmisor de temperatura a termopar TT1 aumente hasta aproximadamente el 80% de la gama [o 49C (120F)] en el registrador del controlador TIC1; luego reajuste la perilla de control manual de la Unidad de calefaccin para que esta seal deje de aumentar y se estabilice en el 80% de la gama aproximadamente. [El ajuste requerido de la perilla debe estar alrededor de la posicin media a una temperatura ambiente de 21 C (70F)]. El 80% de la gama ser la mxima temperatura que el proceso puede alcanzar y ser el nivel inicial de la seal del Transmisor de temperatura a termopar TT1 . o 21. Ajuste el intervalo de muestreo del controlador TIC1 en 1000 ms. o 22. En el controlador TIC1, inicie el almacenamiento de datos para comenzar a guardar en memoria los datos usados para dibujar la salida del controla-dor y las seales de salida del transmisor de temperatura. Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin Nota: Si el controlador que usted est usando como T/C1 es el L VPROSIM, comience el almacenamiento de datos haciendo clic en el cuadro junto al icono de disco en la esquina superior izquierda del rea de visualizacin del registrador. D 23. Aumente repentinamente la salida del controlador TIC1 desde 0% hasta 25% para generar un aumento escaln en la velocidad de rotacin de los ventiladOres de la Unidad de refrigeracin. Permita que la seal del Transmisor de temperatura a termopar TT1 se estabilice en el registrador del controlador TIC1 , lo cual podra tomar hasta 30 minutos, y luego detenga el almacenamiento de datos en este controlador. Nota: Si el controlador que usted est usando como T/C1 es el L VPROSIM, detenga el almacenamiento de datos 30 minutos despus de hacer el cambio escaln en la salida del controlador quitando la seleccin del cuadro junto al icono de disco. D 24. Ahora que el nivel de la seal del Transmisor de temperatura a termo-par TT1 est estable, antelo debajo en funcin del porcentaje de la gama (5 V). ste es el nivel final. Nivel final: ___ % de la gama D 25. Detenga (ponga en pausa) el registrador. D 26. Importe los datos almacenados dentro de un programa de hoja de clculo para poder determinar las caractersticas del proceso. Nota: Si el controlador que usted est usando como T/C1 es el L VPROSIM, los datos almacenados estn en el archivo Tren-drec.txt bajo su carpeta de aplicacin LVPROSIM. D 27. Determine el cambio total en la seal de salida del transmisor TT1 que sigui al cambio escaln en la salida del controlador, midindolo como porcentaje sobre la gama. Cambio total : ___ % de la gama D 28. Calcule la ganancia del proceso dividiendo el valor obtenido en el paso 27 por 25%, el cual fue el cambio en la salida del controlador TIC1 y por tanto, en la variable manipulada. Anote la ganancia en la tabla 3-2. Cambio en la salida del transmisor TT1 (% de la gama) Ganancia del proceso = -----------------'..:.=-=-=-=:=!. Cambio en la salida del controlador (% de la gama) 3-23 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin 3-24 CARACTERSTICAS DEL PROCESO DE TEMPERATU-RA (modo de refrigeracin) Ganancia del proceso, K Constante de tiempo, T Tiempo muerto, tm Tabla 3-2. Caractersticas del proceso de temperatura en modo de refrigeracin. o 29. Mida el tiempo que le tom a la seal de salida del transmisor TT1 alcanzar el 28,3% de la reduccin total que sigui al cambio escaln en la salida del controlador. t 28,3% = S o 30. Ahora mida el tiempo que le tom a la seal de salida del transmisor TT1 alcanzar el 63,2% de la reduccin total que sigui al cambio escaln en la salida del controlador. t 63,2% = S o 31. Basndose en sus respuestas de los pasos 29 y 30, Y en la siguiente frmula, determine la constante de tiempo del proceso y antela en la tabla 3-2. T = 1,5 . (t 632% - t 28 .3% ) o 32. Basndose en sus respuestas de los pasos 30 y 31 , Y en la siguiente frmula, determine el tiempo muerto del proceso y antelo en la tabla 3-2. t m = t 632% - T o 33. Determine si el proceso de temperatura es de primer o de segundo orden. Explique. o 34. En la Unidad de calefaccin, lleve la perilla de control manual a la posicin completamente en sentido antihorario. Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin o 35. Ajuste la salida del controlador TIC1 en 0%. o 36. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de este mando a 0%. iADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefaccin est protegida contra sobrecalen-tamiento, no debe aplicarse potencia elctrica al calefactor en ausencia de flujo de agua a travs de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe girarse completa-mente en sentido antihorario o que el voltaje o corriente aplicado por el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mnimo (O V o 4 mA) en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podra causar que la Unidad de calefaccin se desgaste prematuramente. o 37. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefaccin y la Fuente de alimentacin cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiN a la posicin O. o 38. Abra completamente la vlvula HV1 de la Unidad de bombeo y 'permita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque. Nota: La Columna tambin se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeracin y reconectndolo a un puerto de retorno auxiliar en la Unidad de bombeo. o 39. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento. iADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras y componentes. Durante la desconexin de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los compo-nentes elctricos o a sus terminales. o 40. Seque todos los residuos de agua en el piso y en el Sistema didctico en control de procesos. CONCLUSiN En este ejercicio, se caracteriz un proceso de temperatura en modo de refrigeracin, usando el mtodo 28,3%-63,2% para la caracterizacin de procesos. Este mtodo puede suministrar mayor exactitud en la medicin del tiempo muerto 3-25 Caracterizacin de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin 3-26 que el mtodo de Ziegler-Nichols cuando dicho tiempo es corto comparado con la constante de tiempo del proceso. Es importante conocer las caractersticas de un proceso, pues stas se pueden usar para calcular las constantes de reglaje del controlador cuando el tiempo muerto del proceso es exactamente conocido y cuando ste es mucho ms corto que la constante de tiempo. PREGUNT AS DE REVISiN 1. Cul hubiera sido el efecto sobre la constante de tiempo del proceso, si se hubiera usado una Unidad de refrigeracin con ventiladores ms grandes? 2. Qu efecto tendra sobre la ganancia del proceso una reduccin en la eficiencia de conversin de energa elctrica a mecnica por los motores de los ventiladores de la Unidad de refrigeracin? 3. Sera la ganancia del proceso afectada por un aumento en la temperatura ambiente? Explique. 4. Compare los mtodos de Ziegler-Nichols y 28,3%-63,2% para la caracteriza-cin de procesos. Examen de la unidad 1. Los mtodos de Ziegler-Nichols y 28,3%-63,2% para la caracterizacin de procesos consisten en generar, en el modo de lazo abierto, un cambio escaln en a. la variable controlada y luego registrar la reaccin de la variable manipula-da como funcin del tiempo. b. la variable manipulada y luego registrar la reaccin de la variable controla-da como funcin del tiempo. c. la variable manipulada y luego registrar la reaccin de la seal de salida del controlador como funcin del tiempo. d. la variable medida y luego registrar la reaccin de la variable manipulada como funcin del tiempo. 2. La magnitud del tiempo muerto de un proceso depende de a. la(s) resistencia(s) del proceso. b. la velocidad con la cual es ejecutado el cambio escaln y la distancia sobre la cual ocurre. c. la(s) capacitancia(s) del proceso. d. Todas las anteriores 3. La constante de tiempo de un proceso es a. determinada por la(s) resistencia(s) y capacitancia(s) del proceso. b. la velocidad con la cual es ejecutado el cambio escaln y la distancia sobre la cual ocurre. c. el tiempo que le toma a la variable controlada alcanzar el valor final de estado de rgimen estacionario. d. Todas las anteriores 4. El valor final de estado de rgimen estacionario se alcanza despus de a. una constante de tiempo. b. dos constantes de tiempo. c. tres constantes de tiempo. d. cinco constantes de tiempo. 5. La ganancia del proceso a. no tiene dimensiones. b. permite la comparacin de las ganancias para procesos con diferentes rangos de operacin. c. se determina dividiendo el cambio en la variable controlada por el cambio en la variable manipulada, siguiendo un cambio escaln en la variable manipulada. d. Todas las anteriores 3-27 3-28 Examen de la unidad (cont.) 6. Entre mayores son la(s) capacitancia(s) y la(s) resistencia(s) de un proceso, a. ms pequea es la constante de tiempo. b. mayor es la ganancia del proceso. c. ms grande es la constante de tiempo. d. menor es la ganancia del proceso. 7. Hablando en trminos generales, el canal de medicin de un proceso debe ser lo suficientemente rpido para detectar cualquier cambio en la variable controlada en menor tiempo que a. una constante de tiempo del proceso. b. dos constantes de tiempo del proceso. c. tres constantes de tiempo del proceso. d. cinco constantes de tiempo del proceso. 8. En un proceso de primer orden, la mxima curva de la respuesta del proceso ocurre a. antes de que la variable controlada haya comenzado a cambiar. b. inmediatamente despus de que la variable controlada comienza a cambiar. c. despus de que la v~riable controlada ha comenzado a cambiar. d. Ninguna de las anteriores 9. En un proceso de segundo orden, la mxima curva de la respuesta del proceso ocurre a. antes de que la variable controlada haya comenzado a cambiar. b. inmediatamente despus de que la variable controlada comienza a cambiar. c. despus de que la variable controlada ha comenzado a cambiar. d. Ninguna de las anteriores 1 Q. Un proceso de segundo orden se puede aproximar como a. un proceso de primer orden con tiempo muerto nulo. b. un proceso de primer orden con tiempo muerto puro. c. un proceso de prime~ orden con tiempo muerto extendido. d. Ninguna de las antenores Unidad 4 Control PI de procesos de temperatura OBJETIVOS DE LA UNIDAD Cuando complete esta unidad, usted ser capaz de realizar el control PI de un proceso de temperatura en los modos de calefaccin y de refrigeracin. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Control de temperatura El control de temperatura es esencial en los procesos industriales. Esto se debe a que las caractersticas fsicas y qumicas de la mayora de las sustancias cambia cuando cambia su temperatura. As, calentar o enfriar una sustancia causar que cambien su densidad de masa, su viscosidad y su presin. Como consecuencia, el control de temperatura puede aumentar la calidad del producto final y la seguridad del proceso. Por ejemplo, considere el proceso de conversin qumica mos(rado en la figura 4-1. El propsito del proceso es combinar un re actante lquido, A, y un reactante gaseoso, B, para formar un tercer producto lquido, C. Los reactantes A y B primero se cargan dentro del reactor. En el momento de entrar al reactor, el re actante A es calentado hasta una temperatura a la cual comienzan las reacciones consecutivas. Luego tiene lugar una reaccin exotrmica en el reactor, provocando que la energa trmica sea liberada. Para obtener la mxima conversin de los reactantes, la temperatura del lazo 4 mantiene la temperatura del producto lquido constante mediante la variacin de la tasa de calentamiento del re actante A. El producto lquido se retira posteriormente de la parte inferior del reactor y se pasa a travs de un evaporador. Mientras fluye a travs del evaporador, el producto lquido pierde energa trmica, causando que su temperatura disminuya y que la reaccin se detenga. Para asegurar que la reaccin es detenida correctamente, el lazo 7 de temperatura mantiene la temperatura del producto lquido constante mediante la variacin de la velocidad del ventilador en el evaporador. 4-1 Control PI de procesos de temperatura 4-2 :-----------------~-----l 1 NIVEL ___ ~ ______ LAZO 2 : \i/ 1 1 CAUDAL : LAZO 1 1 1 .---1 1 1 1 1 1 1 1 1.., ,.- .-1 1 1 1 1 1 J 1 J 1 1 1 J 1 1 J J J J 1 I 1 I 1 1 1 1 1 1 1 --------------W -------?r -----?"r --: PRESiN : : LAZO 3 1 L 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ~-----(f)-TEMPERATURA LAZO 4 W-------CAUDAL LAZOS 1 1 1 1 1 1 EVACUACiN DE GAS ~PHLAZ06 CV 1 1 1 1 1 r------- J 1 1 1 1 1 1 1 1 EVAPORADOR PRODUCTO C HACIA EL SEPARADOR TEMPERATURA LAZO 7 1 1 ~: ~ 7 1 1 , 1 1 1 L--(V Figura 4-1. Proceso de conversin qumica. Como puede verse, se requieren dos lazos de temperatura en este ejemplo: uno para controlar la calefaccin del reactante A y uno para controlar la refrigeracin del Control PI de procesos de temperatura producto C. Esto ilustra el hecho de que los procesos industriales con frecuencia requieren que una sustancia sea calentada o enfriada durante varias etapas de la produccin. En esta unidad, se realizar el control PI de un proceso de temperatura en los modos de calefaccin y de refrigeracin. Los lazos de temperatura que se usarn sern similares a los de la figura 4-1 . 4-3 4-4 Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin OBJETIVO DEL EJERCiCIO Ejercicio 4-1 Realizar el control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin. Utilizar el mtodo del periodo ltimo para el reglaje del controlador. PRINCIPIOS Nota: A continuacin se presenta un recordatorio de cmo usar el mtodo del periodo ltimo para el reglaje del controlador PID. Se puede encontrar una explicacin adicional sobre este mtodo en la seccin PRINCIPIOS del ejercicio 5-2 en el manual del estudiante de Lab-Volt Control de procesos de presin, caudal y nivel, nmero de parte 32621 . , Mtodo del periodo ltimo para el reglaje del controlador El mtodo del periodo ltimo para el reglaje del controlador permite al operador calcular las constantes de reglaje P, I Y D requeridas para el control PI o PI D de un proceso basndose en la banda proporcional que lleva al proceso a una oscilacin continua y sostenida, y en el periodo de oscilacin con esa banda proporcional. Este mtodo est diseado para producir una respuesta de amortiguamiento cuarto de amplitud en la respuesta de la variable controlada ante un cambio escaln en la variable manipulada. El mtodo de reglaje del periodo ltimo requiere el siguiente procedimiento: 1. Con el controlador en modo manual, apague sus acciones integral y derivativa. 2. Lleve la banda proporcional Bp a un valor arbitrario pero lo suficientemente alto, tal como 150%. 3. Coloque el controlador en modo automtico (lazo cerrado) y observe la respuesta del proceso (variable controlada y seal de salida del controlador) en el registrador. 4. Si el proceso comienza a oscilar por s mismo, vaya al paso 7. De lo contrario, genere un cambio escaln en la referencia. El cambio en esta ltima debe ser tpico al uso esperado del sistema. 5. Si el proceso no oscila, disminuya la banda proporcional por un factor de 2. 6. Repita los pasos 4 y 5 hasta que la respuesta del proceso se vuelva oscilatoria. 4-5 Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin 4-6 7. Determine si la oscilacin es sostenida-e.d. si contina con la misma amplitud sin aumentar ni disminuir, como en la figura 4-2 (c). Si no lo es, haga pequeos cambios en la banda proporcional hasta que se logre una oscilacin sostenida. Nota: No es necesario que la oscilacin del proceso tenga una alta amplitud. Para determinar si la oscilacin es sostenida, usted puede simplemente observar la salida de la seal del controlador. 8. Encuentre la banda proporcional a la cual la oscilacin sostenida apenas comienza, sin causar saturacin de la salida del controlador. Anote la banda proporcional a la cual se produce esta oscilacin. sta es la banda proporcional ltima, Bpu. Luego anote el periodo de la oscilacin, segn se muestra en la figura 4-2 (d). ste es el periodo ltimo, Tu. 9. Usando la banda proporcional ltima y el periodo ltimo, calcule las constantes de reglaje del controlador como sigue: Para el control PI del proceso: Banda proporcional, Bp (%) = 2,22 x Bpu (%) Tiempo de integracin, TI (min/rpt) Para el control PI D del proceso: 0,833 x Tu (5) 60s/min Banda proporcional , Bp (%) 1,33 x Bpu (%) Tiempo de integracin, TI (min/rpt) 0,625 x Tu (5) 60s/min . . . , _ 0,1 x Tu (5) Tiempo de denvaclon, T o (min) - . 60 s/mm Es importante observar que las frmulas dadas anteriormente slo aplican para controladores ideales no interactivos. Se deben utilizar otras frmulas para los controladores en serie o en paralelo no interactivos. Una vez que las constantes de reglaje del controlador se ajustan a los valores calculados y el controlador se regresa al modo automtico (lazo cerrado), los cambios en la referencia deben producir una respuesta de amortiguamiento cuarto de amplitud. La optimizacin del ajuste del controlador puede requerir un reglaje fino adicional. En algunos procesos se requerir una respuesta sobreamortiguada, mientras que en otros ser satisfactoria una respuesta subamortiguada. Control PI de un proceso de temperatura SALIDA DEL CONTROLADOR SALIDA DEL CONTROLADOR SALIDA DEL CONTROLADOR SALIDA DEL CONTROLADOR o o (a) Amplitud en aumento (b) Amplitud en disminucin I ~ I (e) Oscilacin sostenida I ~ Tu (TIEMPO ENTRE DOS I PICOS SUCESIVOS) (d) Medicin del periodo de oscilacin, Tu Figura 4-2. Determinacin del periodo de una oscilacin sostenida. TIEMPO TIEMPO TIEMPO TIEMPO 4-7 Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin NIVEL (% DE LA GAMA) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 / / / / ; / I I 1/" 11 \ \ Como lo muestra la figura 4-3, Una respuesta sobreamortiguada implica un lento retorno a la referencia despus de un cambio escaln en el error, pero sin sobrepaso antes de la estabilizacin. Una respuesta que es demasiado sobreamortiguada puede causar que el controlador sea incapaz de eliminar un error antes de que ocurra el prximo. Una respuesta subamortiguada implica un rpido retorno a la referencia siguiendo un cambio escaln en el error, pero uno o ms sobrepasos antes de la estabilizacin. El subamortiguamiento significa que el controlador trabaja muy agresivamente para corregir el error rpidamente, y por tanto lo sobrexcede. Una respuesta que es demasiado subamortiguada puede causar que el proceso caiga en oscilacin. REFERENCIA VARIABLE '; CONTROLADA / / SOBREPASO, / Ji ~ n / " " / \ \ " 111 AA r ...., v I1 \1 v / v Ir \ 1, " ~ I~ ~ , " 1\. '" '" '" '" '\ "" "". ~ ~ SOBREAMORTIGUADO BIEN AJUSTADO BIEN AJUSTADO SUBAMORTIGUADO SUBAMORTIGUADO OSCILATORIO 4-8 Figura 4-3. En algunas aplicaciones de proceso, se requerir una respuesta sobreamortiguada, mientras que en otras, ser satisfactoria una respuesta subamortiguada. Resumen del procedimiento En este ejercicio, se realizar el control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin. Se usar el mtodo de reglaje del periodo ltimo para poner a punto al controlador PI. Nota: El mtodo de respuesta escaln en lazo abierto para el reglaje del controlador, que consiste en determinar sus constantes de reglaje basndose en las caractersticas dinmicas del proceso, no se puede usar correctamente para poner a punto al controlador cuando se realiza el control PI del proceso de temperatura del sistema didctico en modo de calefaccin. Esto ocurre porque el tiempo muerto del proceso, el cual es relativamente corto comparado con la constante de tiempo, es difcil de medir de manera exacta usando el mtodo de Ziegler-Nichols o el 28,3%-63,2 % para la caracterizacin de procesos. Como consecuencia, el mtodo de reglaje del periodo ltimo se usar para poner a punto al controlador en este ejercicio. Control PI de un proceso de temperatura EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilizacin de los equipos, en el apndice A de este manual , para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio. PROCEDIMIENTO Montaje del sistema y calibracin del transmisor de temperatura D 1. Conecte el sistema mostrado en la figura 4-4. La potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin ser controlada con un controlador, TIC1 . La velocidad de rotacin de los ventiladores de la Unidad de refrigeracin ser controlada manualmente. r r r CV r r r r r f------'CONECTOR PUNTA DE LA SONDA DTR (NO INSERTAR DENTRO DE LA COLUMNA POR AHORA) Figura 4-4. Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin. CONECTOR Para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, se puede usar un segundo controlador (FIC1) colocado en modo manual (lazo abierto) o una fuente de voltaje CC de 0-5 V conectada a la entrada 0-5 V de este mando. 4-9 Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin 4-10 Debido a que la Columna funcionar primero en el modo presurizado, deje por ahora que la punta de la sonda DTR descanse sobre la Superficie de trabajo. Nota: Si el controlador que usted est usando como controla-dor TlC1 es el Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, consulte la figura 8-3 del apndice 8 para obtener detalles de cmo conectar la computadora L VPROSIM a la Unidad de calefaccin. Puede usar el generador de funciones de L VPROSIM como una fuente de voltaje CC de 0-5 V para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Para hacer esto, conecte la computadora L VPROSIM a la entrada 0-5 V de este mando a travs de la salida analgi-ca 2 de la Interfaz E/S, modelo 9065, como se indica en la figura 8-2 del apndice B. El generador de funciones L VPRO-SIM luego se puede ajustar para producir un voltaje de con-trol CC entre O y 5 V, segn se explica en la seccin Generador de funciones del apndice F. o 2. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefaccin: Interruptor S1 .. .... ... ... . .... .. .. .. .. . ... . .... .. . En la Unidad de refrigeracin: Interruptor S1 ....... .. ..... . . ... . . . ... .. . ... ... . .. 2 Perilla de control manual ..... .. .... completamente girada en sentido antihorario Interruptor S2 ........ . ....... . ..... . . ... .. . . ... ... TT En el Transmisor de temperatura a DTR (TT1): SELECTOR DE ENTRADA . . ..... . . .... FUENTE DE CAL. SELECTOR DE CALIBRACiN . ... . .... . . . . . . VARIABLE Perilla de ajuste CERO .. . . . . . .. . .. ....... ... . .. .. MX. Perilla de ajuste GAMA . . .. . ... . .. ... . . . ...... ... . MX. o 3. Verifique que el controlador TIC1 est en modo manual (lazo abierto) . Lleve la salida de este controlador a 0% (O V) . o 4. Verifique que el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo sea O V. Control PI de un proceso de temperatura Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la amplitud del generador en O y la desviacin en 0%. o 5. Energice la Fuente de alimentacin cc, la Unidad de calefaccin, la Unidad de refrigeracin , el Transmisor de caudal a turbina y el Transmisor de temperatura a DTR. o 6. Calibre la SALI DA 0-5 V del Transmisor de temperatura a DTR de tal forma que el voltaje en sta pase desde 0,0 hasta 5,00 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibracin aumente desde 25 hasta 55 C (77 hasta 131 F), respectivamente. Nota: Utilice el mtodo descrito en los pasos 8 hasta 11 del procedimiento del ejercicio 2-1 para calibrar la SALIDA 0-5 V del transmisor usando su fuente de calibracin. o 7. Ahora que el Transmisor de temperatura a DTR est calibrado, lleve el interruptor SELECTOR DE ENTRADA de este transrgiso( a DTR. Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna o 8. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador est apretada firmemente. o 9. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviacin est instalada correctamente en la parte inferior del tanque. o 10. Encienda la Unidad de bombeo llevando su interruptor ALIMENTACiN a la posicin l. o 11 . En la Unidad de bombeo, ajuste las vlvulas HV1 hasta HV3 como sigue: HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario). o 12. Aplique un voltaje CC de 5 V a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para hacer que ste rote a velocidad mxima. 4-11 Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin 4-12 Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la desviacin del generador en 100%. o 13. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algn nivel intermedio. Esto forzar al aire para que salga de los componentes corriente abajo de la Columna. Colocacin del sistema en modo de recirculacin de agua o 14. En la Unidad de bombeo, cierre la vlvula HV1. Luego ajuste la vlvu-la HV3 para dirigir el flujo de retorno completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario). o 15. En la Columna, retire la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna. o 16. En la Unidad de bombeo, abra la vlvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta vlvula. o 17. Reajuste el voltaje CC aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo hasta que obtenga una lectura de 4,0 V aproximadamente en la salida "C (caL)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustar el caudal en aproximadamente 4 I/min (1,1 gal EU/min). Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar el mando de velocidad variable, ajuste la desviacin del generador para obtener una lectura de 4,0 Vaproximadamente en la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina. Control PI del proceso de temperatura o 18. Inserte la sonda DTR completamente dentro de la Columna para que su punta sea sumergida en el agua. o 19. En la Unidad de refrigeracin, lleve la perilla de control manual a la posicin media. o 20. Grafique las siguientes seales sobre el registrador del controlador TIC1: Referencia; Salida del Transmisor de temperatura a DTR (TT1) ; Salida del controlador TIC1. Control PI de un proceso de temperatura Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el L VPROSIM, consulte la figura 8-5 del apndice 8 para obtener detalles de cmo conectar la computadora L VPROSIM al Transmisor de temperatura a DTR TT1. En la Interfaz E/S, verifique que el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALGI-CA 1 est ajustado en 5 V. En el L VPROSIM, seleccione la entrada analgica 1 de la lista de seleccin del Registrador para graficar la seal de salida del Transmisor de temperatura a DTR TT1 . Adems, seleccione Referencia de esta lista para tambin graficar la seal de referencia. Finalmente, seleccione la salida analgica 1 de la misma lista para que la seal de salida del controlador TlC1 sea graficada sobre el registrador. Acceda a la ventana Configura-cin de las entradas analgicas y establezca los valores del rango de salida mnimo y mximo de la entrada analgica 1 en 25 y 55 oC (77 y 131 F), respectivamente, lo cual corresponde al rango de medicin actualmente calibrado en el transmi-sor TT1 . Ajuste la constante de tiempo del filtro de esta entrada en 0,5 segundos. Verifique que la funcin de extraccin de la raz cuadrada de esta entrada no est seleccionada y luego acepte y regrese a la pantalla principal del L VPROSIM. D 21. Ajuste el intervalo de muestreo del controlador TIC1 en 1000 ms. D 22. Verifique que el controlador TIC1 est dispuesto para una accin inversa, para garantizar que una realimentacin negativa ocurra cuando el controlador se coloque en modo de lazo cerrado. Por ejemplo, una disminucin en la temperatura medida por el Transmisor de temperatura a DTR TT1 debe producir un aumento en la salida del controlador. Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el L VPROSIM, seleccione Inverso de la lista de seleccin del controlador. D 23. Ajuste las constantes de reglaje del controlador TIC1 como se indica debajo. Esto establecer la banda proporcional en un valor relativamente alto, considerando la ganancia relativamente baja del proceso de tempera-tura. Esto tambin eliminar del controlador todas las acciones integrales y derivativas. Banda proporcional en 10%; Tiempo de integracin en APAGADO; Tiempo de derivacin en 0,0000 mino D 24. Lleve la referencia del controlador TIC1 a 30%. D 25. Coloque el controlador TIC1 en modo automtico (lazo cerrado). 4-13 Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin 4-14 Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el LVPROSIM, ajuste la componente integral (desviacin) en 0,00%. o 26. Si el proceso comienza a oscilar por s mismo, vaya inmediatamente al paso 27. En caso contrario, deje que el proceso se estabilice y luego genere un cambio escaln en la referencia desde 30 hasta 60% y observe la respuesta del proceso (seales de salida del transmisor de temperatura y del controlador) . Si el proceso oscila continuamente, vaya al paso 27. En caso contrario, reduzca la banda proporcional del controlador TIC1 por factores de 2, haciendo un cambio en la referencia de 30-60% despus de cada nuevo ajuste en la banda proporcional (si el proceso no comienza a oscilar por s mismo), hasta que la respuesta del proceso se vuelva oscilatoria. o 27. Determine si la oscilacin es sostenida, e.d., si contina en la misma amplitud sin aumentar ni disminuir. Si no lo es, haga pequeos cambios en la banda proporcional del controlador TIC1 hasta que se logre una oscilacin sostenida. Para determinar si la oscilacin es sostenida, observe la seal de salida del controlador. No es necesario que la oscilacin tenga gran amplitud. Sin embargo, es necesario esperar para que se completen los diversos ciclos antes de que se pueda determinar si la amplitud de la oscilacin realmente permanece constante, sin aumentar ni disminuir. Ahora afine la banda proporcional para encontrar el valor al cual la oscilacin sostenida apenas comienza, sin causar saturacin en la salida del controlador. Anote la banda proporcional , Bpu ' que produce tal oscilacin. Luego anote el periodo de la oscilacin, Tu. Banda proporcional ltima, Bpu: % Periodo ltimo, Tu: % o 28. Usando la banda proporcional ltima y el periodo ltimo encontrados en el paso 27, calcule las constantes de reglaje del controlador para el control PI del proceso de temperatura: T,: min/rpt Control PI de un proceso de temperatura o 29. Ajuste las constantes de reglaje del controlador para el control PI del proceso de temperatura de acuerdo con los valores calculados en el paso 28. o 30. Genere un cambio escaln de 30-60% en la referencia y observe la respuesta de la seal de salida del transmisor de temperatura. Describa la respuesta de esta seal en trminos del tiempo de estabilizacin y del sobrepaso. Nota: En los pasos siguientes, usted tendr que comparar la respuesta del proceso ante un cambio en la referencia para diferentes ajustes del controlador PI. Como consecuencia, se recomienda que almacene las seales obtenidas para compa-rar/as posteriormente en caso que el registrador de su controla-dor no se pueda correr hacia atrs o hacia delante en el tiempo. o 31. Ajuste finamente las constantes Pe I del controlador para reducir el tiempo de estabilizacin y el sobrepaso de la seal de salida del transmisor de temperatura siguiendo un cambio escaln de 1 O: 20"% en la referencia. Pruebe con diferentes valores de referencia y determine si el reglaje del controlador permanece aceptable para un amplio rango de los mismos. Anote sus resultados debajo. o 32. Lleve la referencia del controlador a 60% y permita que la seal de salida del transmisor de temperatura se estabilice en este valor. o 33. Simule un aumento en la carga de calefaccin del proceso aumentando el caudal al mximo. Para hacer esto, aumente el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo a 5,OV. Es el controlador capaz de compensar rpidamente el aumento en la carga de calefaccin? Explique. o 34. Aumente adicionalmente la carga de calefaccin del proceso aumentando el nivel de agua en la Columna. Para hacer esto, lleve momentneamente la manija de la vlvula HV3 de la Unidad de bombeo a la direccin 4-15 Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin 4-16 completamente en sentido horario, luego regrsela a la posicin completa-mente en sentido antihorario. Es el controlador capaz de compensar rpidamente el aumento en la carga de calefaccin causado por el aumento en el nivel de agua? Explique. o 35. Regrese el controlador TIC1 al modo de lazo abierto (manual). Lleve la salida de este controlador a 0%. o 36. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de este mando a 0%. iADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefaccin est protegida contra sobrecalen-tamiento, no debe aplicarse potencia elctrica al calefactor en ausencia de flujo de agua a travs de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe girarse completamen-te en sentido antihorario o que el voltaje o corriente aplicado por el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mnimo (O V o 4 mA) en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podra causar que la Unidad de calefaccin se desgaste prematuramente. o 37. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefaccin y la Fuente de alimentacin cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiN a la posicin O. o 38. Abra completamente la vlvula HV1 de la Unidad de bombeo y permita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque de esta unidad. Nota: La Columna tambin se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeracin y reconectndolo a un puerto de retorno auxiliar en la Unidad de bombeo. o 39. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento. Control PI de un proceso de temperatura iADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras y componentes. Durante la desconexin de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los compo-nentes elctricos o a sus terminales. D 40. Seque todos los resi.duos de agua en el piso y en el Sistema didctico en control de procesos. CONCLUSiN En este ejercicio, se realiz el control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin. Se utiliz el mtodo del periodo ltimo como punto de arranque para el reglaje del controlador, luego se ajust finamente el controlador para reducir el tiempo de estabilizacin y el sobrepaso del proceso al mnimo. La accin derivativa no fue necesaria en este proceso porque los cambios en la carga de calefaccin fueron algo lentos y porque el proceso fue inherentemente un proceso de rpida respuesta, siendo el calefactor de la Unidad de calefaccin capaz de calentar el agua que fluye a travs de ella muy rpidamente. Observe sin embargo, que con frecuencia se requiere la accin derivativa en aplicaciones de procesos de temperatura industriales para compensar los lrgos tiempos muertos tpicos en los mismos. PREGUNTAS DE REVISiN 1. Por qu reducir la banda proporcional del controlador a un valor extremada-mente bajo causa que el proceso de temperatura se vuelva inestable? Explique. 2. Se mejora la estabilidad del proceso de temperatura cuando la amplitud del primer sobrepaso de la seal del transmisor es ms pequea y la seal deja de oscilar alrededor de la referencia antes de estabilizarse? 3. Si la seal del transmisor de temperatura responde rpidamente ante un cambio en la referencia, pero luego toma un largo tiempo para estabilizarse, se debe aumentar o disminuir la accin integral del controlador? 4-17 Control PI de un proceso de temperatura en modo de calefaccin 4-18 4. Cul(es) caracterstica(s) del proceso determina(n) la necesidad de adicionar accin derivativa en el controlador para lograr un buen control de proceso? 5. Con el proceso de temperatura del Sistema didctico en modo de calefaccin, por qu es innecesaria la accin derivativa? Ejercicio 4-2 Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin OBJETIVOS DEL EJERCICIO ' Realizar el control PI de un proceso de teriiperatura en modo de refrigeracin. Utilizar el mtodo de respuesta escaln en lazo abierto para el reglaje del controlador. PRINCIPIOS Mtodo de respuesta escaln en lazo abierto para el reglaje del controlador El mtodo de respuesta escaln en lazo abierto para el reglaje del controlador habilita al operador para calcular las constantes de reglaje P, I Y O requeridas para el control PI o PIO del proceso, basndose en sus caractersticas dinmicas (ganancia, constante de tiempo y tiempo muerto). " Como se explic anteriormente en la seccin de introduccin de la unidad 3, las caractersticas dinmicas de un proceso se pueden determinar generando, en el modo de lazo abierto, un cambio escaln en la variable manipulada y registrando la reaccin de la variable controlada como funcin del tiempo. Basndose en la curva de respuesta de la variable controlada, las caractersticas dinmicas se pueden determinar usando, entre otros, el mtodo de Ziegler-Nichols (grfico) o el mtodo 28,3%-63,2%. Usando las caractersticas del proceso, las constantes de reglaje del controlador se pueden calcular usando las siguientes frmulas, las cuales aplican para controladores configurados idealmente no interactivos: Para el control PI del proceso: Bnda proporcional, Bp (%) td (s) . K x 100 0,9 . T (s) 3,33 . td (s) Tiempo de integracin, TI (min/rpt) = __ ---..:::....l.=!. 60s/min Para el control PIO del proceso: Banda proporcional, Bp (%) td (s) . K x 1 00 1,5 . T(S) 4-19 Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin 4-20 Tiempo de integracin, TI (min/rpt) Tiempo de derivacin, T D (min) Resumen del procedimiento 2,5 . td (5) 60s/min 0,4 . td (5) 60s/min En este ejercicio, se realizar el control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin. Se determinarn las constantes de reglaje del controlador basndose en las caractersticas del proceso medidas en el ejercicio 3-2 usando el mtodo 28,3%-63,2% para la caracterizacin de procesos. Nota: Si lo desea, usted puede intentar determinar las constantes de reglaje del controlador PI midiendo las caractersticas del proceso con el mtodo deZiegler-Nichols (grfico) en vez del mtodo 28,3%-62,3%. Sin embargo, el mtodo de Ziegler-Nichols muy probablemente podra conducir a resultados de control insatisfactorios porque el tiempo muerto del proceso, el cual es relativamente corto comparado con la constante de tiempo, es difcil de medir exactamente con este mtodo. EQUIPO REQUERIDO Consulte la tabla de utilizacin de los equipos, en el apndice A de este manual, para obtener la lista del equipo requerido para realizar este ejercicio. PROCEDIMIENTO Clculos preliminares D 1. Consultando la tabla 3-2 del ejercicio 3-2, anote debajo las caractersticas del proceso de temperatura en modo de refrigeracin. Ganancia, K: __ _ Constante de tiempo, r: segundos Tiempo muerto, tm: segundos D 2. Usando las frmulas de reglaje en lazo abierto apropiadas para la configuracin del controlador que se est usando, calcule los parmetros del controlador para el control PI del proceso de temperatura en modo de refrigeracin. Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin Nota: Si el controlador que usted est usando es el Software de simulacin y de control de procesos (L VPROSIM) de Lab-Volt, utilice las frmulas dadas en la seccin PRINCIPIOS del ejercicio. TI: min/rpt Montaje del sistema y calibracin del transmisor de temperatura o 3. Conecte el proceso mostrado en la figura 4-5. La velocidad de rotacin de los ventiladores de la Unidad de refrigeracin ser controlada con el controlador TIC1. La potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin ser controlada manualmente. Para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, se puede usar un segundo controlador (FIC1) colocado en modo manual (lazo abierto) o una fuente de voltaje CC de 0-5 V conectada a la entrada 0-5 V de este mando. Nota: Si el controlador que usted est usa~do como controla-dor TIC 1 es el L VPROSIM, consulte la figura 8-4 del apndice 8 para obtener detalles de cmo conectar la computadora L VPROSIM a la Unidad de refrigeracin. Usted puede usar el generador de funciones de este software como una fuente de voltaje CC para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Para hacer esto, conecte la computadora L VPROSIM a la entrada 0-5 V de este mando a travs de la salida analgi-ca 2 de la Interfaz E/S, modelo 9065, como se indica en la figura 8-2 del apndice 8. El generador de funciones L VPRO-SIM luego se puede ajustar para producir un voltaje de con-trol CC entre O y 5 V, segn se explica en la seccin Generador de funciones del apndice F. o 4. Haga los siguientes ajustes En la Unidad de calefaccin: Interruptor 81 ..................................... 2 Perilla de control manual . . . . . . . . . . . . completamente girada en sentido antihorario En la Unidad de refrigeracin: Interruptor 81 .. ...... ......... . ................... 1 Interruptor 82 ... . ........... . ........... . .. . . ... . n 4-21 Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin 4-22 En el Transmisor de temperatura a termopar TT1: SELECTOR DE ENTRADA . . . . ... . . . .. . FUENTE DE CAL. SELECTOR DE CALIBRACiN . . . . . . . . . . . . . .. VARIABLE Perilla de ajuste CERO .... . . . . . .. . . . .. .. ... .. . . . . MX. Perilla de ajuste GAMA .. . . .. . . . . .. . . .. .. . ... . .... MX. I I I c:v I CV Figura 4-5. Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin. CONECTOR Cl D 5. Verifique que el controlador TIC1 est en modo manual (lazo abierto) . Lleve la salida de este controlador a 0% (O V). D 6. Verifique que el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo sea O V. Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la amplitud del generador en O y la desviacin en 0%. o 7. Energice la Fuente de alimentacin cc, la Unidad de calefaccin, la Unidad de refrigeracin, el Transmisor de caudal a turbina y el mdulo Transmisor de temperatura a termopar. o 8. Calibre la SALI DA 0-5 V del Transmisor de temperatura a termopar TT1 de tal forma que el voltaje en sta pase desde 0,0 hasta 5,00 V cuando la temperatura de la sonda simulada por la fuente de calibracin aumente desde 25 hasta 55 C (77 hasta 131 F) , respectivamente. Nota: Utilice el mtodo descrito en los pasos 8 hasta 11 del procedimiento del ejercicio 2-1 para calibrar la SALIDA 0-5 V del transmisor usando su fuente de calibracin. o 9. Ahora que el Transmisor de temperatura a termopar TT1 est calibrado, lleve el interruptor SELECTOR DE ENTRADA de este transmisor a TERMOPAR. Limpieza del aire de los componentes corriente abajo de la Columna o 10. En la Columna, verifique que la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador est apretada firmemente. o 11. Verifique que el tanque de la Unidad de bombeo tenga aproximadamente 12 litros (3,2 galones EU) de agua. Verifique que la placa de desviacin est instalada correctamente en la parte inferior del tanque. o 12. Encienda la Unidad de bombeo llevando su interruptor ALIMENTACiN a la posicin l. o 13. En la Unidad de bombeo, ajuste las vlvulas HV1 hasta HV3 como sigue: HV1 completamente abierta; HV2 completamente cerrada; Ajuste HV3 para dirigir el flujo del tanque completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido horario). o 14. Aplique un voltaje CC de 5 V a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo para hacer que ste rote a velocidad mxima. 4-23 Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin 4-24 Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable, ajuste la desviacin del generador en 100%. D 15. Permita que el nivel de agua aumente en la Columna presurizada hasta que se estabilice en algn nivel intermedio. Esto forzar al aire para que salga de los componentes corriente abajo de la Columna. Colocacin del sistema en modo de recirculacin de agua D 16. En la Unidad de bombeo, cierre la vlvula HV1. Luego ajuste la vlvu-la HV3 para dirigir el flujo de retorno completo hacia la entrada de la bomba (gire la manija completamente en sentido antihorario). D 17. En la Columna, retire la tapa de la abertura de insercin del Conmutador de flotador para despresurizar la Columna. D 18. En la Unidad de bombeo, abra la vlvula HV2 para reducir el nivel de agua en la Columna hasta 7,5 cm (3 pulg.) y luego cierre esta vlvula. D 19. Reajuste el voltaje CC aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo hasta que obtenga una lectura de 4,0 V aproximadamente en la salida "C (caL)" del Transmisor de caudal a turbina. Esto ajustar el caudal en aproximadamente 4 I/min (1 ,1 gal EU/min) . Nota: Si usted est usando el generador de funciones de L VPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de ve/Deidad variable, ajuste la desviacin del generador para obtener una lectura de 4, O V aproximadamente en la salida "C (cal.)" del Transmisor de caudal a turbina. Control PI del proceso de temperatura D 20. Grafique las siguientes seales sobre el registrador del controlador TIC1: Referencia; Seal del Transmisor de temperatura a termopar (TT1). Aplique un filtro de paso bajo de 3 segundos sobre esta seal. Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el L VPROSIM, consulte la figura 8-6 del apndice 8 para obtener detalles de cmo conectar la computadora L VPROSIM al Transmisor de temperatura a termopar TT1. En la Interfaz E/S, verifique que el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALGI-CA 1 est ajustado en 5 V. Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin En el L VPROSIM, seleccione la entrada analgica 1 de la lista de seleccin del Registrador para graficar la seal de salida del Transmisor de temperatura a termopar TT1 . Adems, seleccio-ne Referencia de esta lista para tambin graficar la seal de referencia. Acceda a la ventana Configuracin de las entradas analgicas y establezca los valores del rango de salida mnimo y mximo de la entrada analgica 1 en 25 y 55 oC (77 y 131 F), respectivamente, lo cual corresponde al rango de medicin actualmente calibrado en el transmisOr TT1 . Ajuste la constante de tiempo del filtro de esta entrada en 3 segundos: Verifique que la funcin de extraccin de la raz cuadrada de estl entrada no est seleccionada y luego acepte y regrese a la pantalla principal del L VPROSIM. ' o 21. Ajuste el intervalo de muestreo del controlador TIC1 en 1000 ms. o 22. En la Unidad de calefaccin, lleve la perilla de control manual a la posicin completamente en sentido horario para aplicar la mxima potencia elctrica al calefactor de esta unidad. o 23. Permita que la seal del Transmisor de temReratBra a termopar TT1 aumente hasta aproximadamente el 80% de la gqma en el registrador del controlador TIC1, luego reajuste la perilla de control manual de la Unidad de calefaccin para que esta seal deje de aumentar y se estabilice en el 80% de la gama aproximadamente. El ajuste requerido de la perilla debe estar alrededor de la posicin media a una temperatura ambiente de 21 C (70F) . o 24. Ahora ajuste las constantes de reglaje del controlador TIC1 para el control PI del proceso de temperatura, de acuerdo con los valores calculados en el paso 2. o 25. Lleve la referencia del controlador TIC1 al 70%. o 26. Verifique que el controlador est dispuesto para accin directa para que una realimentacin negativa ocurra cuando el controlador se coloque en modo de lazo cerrado. Por ejemplo, una disminucin en la temperatura medida por el Transmisor de temperatura a termopar TT1 debe causar una reduccin en la salida del controlador y viceversa. Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el L VPROSIM, seleccione Directo de la lista de seleccin del controlador. 4-25 Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin 4-26 Adems, si usted est usando otro tipo de controlador que funciona nicamente en modo de accin inversa, lleve el interruptor S2 de la Unidad de refrigeracin a la posicin "lJ". D 27. Coloque el controlador TIC1 en modo automtico (lazo cerrado). Nota: Si el controlador que usted est usando como TlC1 es el L VPROSIM, ajuste la componente integral (desviacin) en 0,00%. D 28. Deje que la seal del Transmisor de temperatura a termopar TT1 se estabilice, observando esto en el registrador del controlador TIC1 . Genere un cambio escaln en la referencia desde 70 hasta 60% y observe la respuesta de la seal del transmisor de temperatura. Tiene este voltaje un amortiguamiento cuarto de amplitud? Explique. Nota: En los pasos siguientes, usted tendr que comparar la respuesta del proceso para diferentes ajustes del controlador PI despus de un cambio en la referencia. Como consecuencia, se recomienda que almacene las seales obtenidas para compa-rarlas posteriormente en caso de que el registrador del controla-dor no se pueda correr hacia atrs o hacia delante en el tiempo. D 29. Si es necesario, intente ajustar finamente las constantes P e I del controlador para reducir el tiempo de estabilizacin y el sobrepaso de la seal del transmisor de temperatura, siguiendo un cambio 70-60% en la referencia. Una vez el controlador est bien ajustado, pruebe diferentes valores de referencia disminuyendo la seal de referencia mediante cambios escalones de 10% o 20%. Ajuste finamente si es posible. Anote sus resultados. Permanece correcto el reglaje del controlador sobre un amplio rango de valores de referencia? D 30. Puede el agua del proceso enfriarse hasta la temperatura ambiente? Explique. Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin o 31. Ajuste la referencia del controlador en 60% y permita que la seal del transmisor de temperatura se estabilice para este valor. o 32. Simule una reduccin en la carga de refrigeracin del proceso disminuyen-do el caudal hasta aproximadamente 1 ,51/min (0,4 gal EU/min). Para hacer esto, disminuya hasta la mitad el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Describa la respuesta de la seal del transmisor dE;) temperatura en trminos del tiempo de estabilizacin y del sobrepaso. o 33. Ahora simule un aumento en la carga de refrigeracin del proceso aumentando el caudal al mximo. Para hacer esto, aumente el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de la Unidad de bombeo hasta 5,0 V. Es el controlador capaz de compensar un aumento en la carga de refrigeracin causado por el aumento en el caudal? Ej(plique. l o 34. En la Unidad de calefaccin, lleve la perilla de control manual a la posicin completamente en sentido antihorario. o 35. Regrese el controlador TIC1 al modo de lazo abierto (manual). Lleve la salida de este controlador a 0%. o 36. Detenga el mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo llevando el voltaje aplicado a la entrada 0-5 V de este mando a 0%. ADVERTENCIA! Aunque la Unidad de calefaccin est protegida contra sobrecalen-tamiento, no debe aplicarse potencia elctrica al calefactor en ausencia de flujo de agua a travs de la misma. Esto significa que la perilla de control manual de la unidad debe gi rarse completamen-te en sentido antihorario o que el voltaje o corriente aplicado por el controlador a los terminales de la entrada de control de la unidad debe ser mnimo (O V o 4 mA) en ausencia de flujo de agua. El omitir esto podra causar que la Unidad de calefaccin se desgaste prematuramente. 4-27 Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin 4-28 o 37. Apague la Unidad de bombeo, la Unidad de calefaccin y la Fuente de alimentacin cc de 24 V llevando sus interruptores de ALIMENTACiN a la posicin O. o 38. Abra completamente la vlvula HV1 de la Unidad de bombeo y permita que el agua en la Columna drene de regreso al tanque. Nota: La Columna tambin se puede drenar desconectando el extremo de la manguera conectado al puerto de entrada de la Unidad de refrigeracin y reconectndolo a un puerto de retorno auxiliar en la Unidad de bombeo. o 39. Desconecte el sistema. Regrese todos los alambres, mangueras y componentes a su lugar de almacenamiento. iADVERTENCIA! Puede haber remanentes de agua caliente en las mangueras y componentes. Durante la desconexin de las mangueras, tenga cuidado para evitar que el agua entre a los compo-nentes elctricos o a sus terminales. o 40. Seque todos los residuos de agua en el piso y en el Sistema didctico en control de procesos. CONCLUSiN En este ejercicio, se realiz el control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin. Se utiliz el mtodo de respuesta escaln en lazo abierto como punto de arranque para el reglaje del controlador. Para lagar realimentacin negativa, la accin del controlador tuvo que establecerse en directa. PREGUNTAS DE REVISiN 1. Por qu se dispuso el controlador PI para accin directa? 2. Por qu aument la carga de refrigeracin del proceso cuando se aument el caudal del agua? Control PI de un proceso de temperatura en modo de refrigeracin 3. Si fuera disminuida la calibracin de la gama del transmisor de temperatu-ra TT1 , tendra que ser modificado el ajuste del controlador PI? Explique. ~. 4-29 4-30 Examen de la unidad 1 . El mtodo del periodo ltimo para el reglaje del controlador PI consiste en determinar las constantes de reglaje P, I Y D del controlador a. basndose en el caractersticas del proceso-ganancia, tiempo muerto y constante de tiempo. b. basndose en la banda proporcional ltima y el periodo ltimo. c. ajustando las constantes hasta que se obtenga una respuesta satisfactoria. d. usando un modelo matemtico del proceso. 2. Una respuesta sobreamortiguada de la variable controlada siguiendo un cambio escaln en el error implica . a. un lento retorno a la referencia, pero muchas oscilaciones antes de la estabilizacin. b. un lento retorno a la referencia, pero muy pocas oscilaciones antes de la estabilizacin. c. un rpido retorno a la referencia, pero muchas oscilaciones antes de la estabilizacin. d. un rpido retorno a la referencia, pero muy pocas oscilaciones antes de la estabilizacin. 3. Una respuesta subamortiguada de la variable controlada siguiendo un cambio escaln en el error implica a. un lento retorno a la referencia, pero muchas oscilaciones antes de la estabilizacin. b. un lento retorno a la referencia, pero muy pocas oscilaciones antes de la estabilizacin. c. un rpido retorno a la referencia, pero muchas oscilaciones antes de la estabilizacin. d. un rpido retorno a la referencia, pero muy pocas oscilaciones antes de la estabilizacin. 4. La reaccin inicial del controlador siguiendo un cambio escaln en el error est determinada esencialmente por a. la accin proporcional. b. la accin integral. c. la accin derivativa d. (a) y (c) 5. Un proceso que demuestra estabilidad condicional es estable sobre algn rango intermedio de bandas proporcionales, pero es a. inestable a bandas proporcionales ms bajas. b. inestable a ganancias proporcionales equivalentes. c. inestable a bandas proporcionales ms altas. d. (a) y (c) 4-31 4-32 Examen de la unidad (cont.) 6. Si la variable controlada responde rpidamente ante un cambio en la referencia, pero luego toma un largo tiempo para estabilizarse, a. la banda proporcional debe ser disminuida. b. el tiempo de integracin debe ser disminuido. c. el tiempo de derivacin debe ser disminuido. d. Ninguna de las anteriores 7. Cul caracterstica del proceso determina la necesidad de adicionar accin derivativa en el controlador para lograr un buen control de proceso? a. La ganancia del proceso b. La constante de tiempo del proceso c. El tiempo muerto del proceso d. La banda proporcional ltima del proceso 8. Realimentacin negativa implica que a. se seleccion el tipo de accin correcta del controlador, la cual puede ser directa o inversa. b. la salida del controlador acta de manera que disminuye el error en vez de aumentarlo. c. el lazo de control es estable. d. Todas las anteriores 9. Cul de las siguientes describe la accin directa del controlador? a. La salida del controlador aumenta cuando la variable medida disminuye. b. La salida del controlador disminuye cuando la variable medida aumenta. c. La salida del controlador aumenta cuando la variable medida aumenta. d. Ninguna de las anteriores 10. Si se reduce la calibracin de la gama de un transmisor en un lazo de realimentacin, a. la salida del transmisor variar ms para cualquier variacin dada en la variable controlada. b. la ganancia del proceso aumentar. c. la ganancia total del controlador se debe disminuir para que la respuesta del proceso encuentre los mismos requerimientos en trminos del tiempo de estabilizacin y de sobrepaso. d. Todas las anteriores Apndice A Tabla de utilizacin de los equipos Se requiere el siguiente equipo Lab-Volt para realizar los ejercicios en este manual. EQUIPO EJERCICIO MODELO DESCRIPCiN 1-1 2-1 2-2 2-3 3-1 3-2 4-1 4-2 6301 Superficie de trabajo 1 1 1 1 1 1 1 1 6302 Superficie de trabajo adicional (grande) 1 1 1 1 1 1 1 6360 Fuente de alimentacin ce de 24 V 1 1 1 1 1 1 1 1 6510 Unidad de bombeo 1 1 1 1 1 1 6511 Columna 1 1 1 1 1 1 6530 Unidad de calefaccin 1 1 1 1 1 1 1 6531 Unidad de refrigeracin 1 1 1 1 1 1 1 6541 Transmisor de temperatura a termopar 1 1 1 1 1 " 6542 Transmisor de caudal a turbina 1 1 1; 1 1 1 6543 Transmisor de temperatura a DTR 1 1 1 1 , 1 6590 Equipo de accesorios y mangueras 1 1 1 1 1 1 1 1 3674 ' Software de simulacin y de control de pr 1 1 1 1 1 1 1 9065 2 Interfaz E/S 1 1 1 1 1 1 1 1. Podra usarse cualquier otro controlador PIO convencional que trabaje con seales de 0-5 V o 4-20 mA. 2. Se requiere si se utiliza el Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM), modelo 3674. A-1 A-2 Apndice B Diagramas de conexin Este apndice provee los diagramas de conexin elctrica de los componentes usados para medir y controlar el proceso de temperatura del Sistema didctico en control de procesos de Lab-Volt. El controlador usado en los diagramas es el Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674. Tambin se presenta como ejemplo el diagrama- detallado de las conexiones de tubera y elctricas requeridas para el control en lazo cerrado del proceso de temperatura funcionando en modo de calefaccin. El controlador usado en el diagrama es el Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674. 8-1 8-2 COMPUTADORA LVPROSIM Diagramas de conexin VOLTAJE DE LNEA CA o ADAPTADOR DE 24 VCA L CABLE RS-232 -: L-_______ --'r IPUERTO PUERTO SERIE SALIDA DEL CONTROLADOR : SERIE I DB-9 INTERFAZ E/S ENTRADA DE ALIMENTACiN DE 24 VCA 1ttI4fW" ~: o Q ~ Q @ @ @@@@@@ SA.UOAS ENTI'IAO\S SALIDAS ~~ oorr~s ~rr~s r----------------------------------- --@@ I I I I I I I I I I I I I --@-@. UNIDAD DE BOMBEO I I I I ______________ _ __ _____ ______________________________ ~- ____ 1 I I ~ ____________________ _____ ______________________________ J TERMINALES DE LA ENTRADA DE CONTROL DEL MANDO DE VELOCIDAD VARIABLE Figura 8-1. Detalle de la conexin del controlador LVPROSIM y la Unidad de bombeo (cuando la salida del controlador se utiliza para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo). COMPUTADORA LVPROSIM Diagramas de conexin VOLTAJE DE LNEA CA o ADAPTADOR DE 24 VCA L CABLE RS-232 ~ '--_______ --11 IPUERTO PUERTO SERIE SALIDA DEL GENERADOR DE FUNCIONES : SERIE I DB-9 INTERFAZ E/S ENTRADA DE ALIMENTACiN DE24 VCA ~- ENTRAOAS ANALGICAS -~ ...... '::'0 ~ ~ ~ ~ @ @@@@@@ ENTRADAS SALIDAS DIGITALES DIGIT .... LES r - -------- --- - - - -- ------ ----------- -- - -=~ 1----- --- - --- --- - --------------- --~ ,.~ 1 1 1 I 1 I I I I 1 I I I I I 1 I 1 I I 1 I I 1 I I I I (9) ~V1 UNIDAD DE BOMBEO TERMINALES DE LA ENTRADA I I I I I I I I I I I I I I DE CONTROL DEL MANDO DE VELOCIDAD VARIABLE I I I I I : I I _ ______ _ __ __ _ __ __ _ __ _ __________ _ __ _ ________ _ __ _ _ ____ ~- _ __ _ 1 I I _ __ _ _____________ _ ______________________ _ ________ _ __ __ _ _ 1 Figura 8-2. Detalle de la conexin del controlador LVPROSIM y la Unidad de bombeo (cuando el generador de funciones de LVPROSIM se utiliza para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo). B-3 8-4 I Diagramas de conexin VOLTAJE DE lNEA CA I COMPUTADORA ADAPTADOR LVPROSIM DE 24 VCA PUERTO I CABLE RS-232 SERIE I PUERTO ENTRA DA DE TACIN VCA SERIE ALlMEN DB-9 DE 24 INTERFAZ E/S 1ttttI:/M. ~- EN'mAOAS.vw.OGICAS -_ ~ ':: 0 Q g IQI Q IQI SALIDA DEL @@@@@@ CONTROLADOR ~ SAUO.a.s '""",,AS SALIDAS ""- ANALOGICAS DIGITALES DOGIT"-" r------- --~ .. ~ @,,@ @rn@ r--- --@-@. ~6 I I I I I ~@~+m--1 M' . ~ Q.l..,-----------, ~ '9 : ~-------J >----8--< 1II:If!!' Figura 8-3. Detalle de la conexin del controlador LVPROSIM y la Unidad de calefaccin. I COMPUTADORA LVPROSIM PUERTO I SERIE I Diagramas de conexin VOLTAJE DE lNEA CA CABLE RS-232 PUERTO SERIE DB-9 INTERFAZ E/S I ADAPTADOR DE 24 VCA ENTRA DA DE TACIN VCA ALlMEN DE 24 ~. ~- ENllW>ASNW.GICAS -~ ~ ':': 0 ~ Q Q ~ Q FUENTE DE ALIMENTACiN DE24 VCC r--------- -------------. ~~ i I @-=i~-J I ~. SALIDA DEL CONTROLADOR~ @@ @@@@ ,-------r---I I I I I I I I I I I I ~~ ,""""'-" O''''''LES . , @@ --- ... ~ --~ I I I SAUO" """,,,-,s @m@ l I I I I I I I I I I I I I I I I L __ __ __ ___ ___ __ ___________ ~ ---~cccccc:::-::::::r'---~ I ,-------- ---J!, I ~ I ';.,] . '@.. !. @, --:):-- COMPUTADORA LVPROSIM PUERTO SERIE ENTRADA DE REALIMENTACiN DEL CONTROLADOR (VARIABLE MEDIDA) 8-6 Diagramas de conexin VOLTAJE DE liNEA CA ADAPTADOR DE 24 VCA r---------FUENTE DE ALIMENTACiN DE 24 VCC -------------.., ~~ i I , ," v.t. .. ' I @--1~-~ CABLE RS-232 I I I I I I I I I I I I 1 I I I I I I I I I r -- - -- - -PUERTO SERIE DB-9 INTERFAZ E/S ENTRADA DE ALIMENTACiN DE 24 VCA M4flI" ~- ENTRAOASANAlGlCAS -~ .:.: o Ql Q! ~ Q! Q! @@@@@ SALIDAS ENTRADAS ANALGICAS DIGtTAJ..ES I I I L _________________________ _ I JI#IIIt" I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I r---------- - --------- - -- - ----- - - -- - --------- I I I I __ _ _ ~:~- - --- - -- - --- - -- - ------------------------------J I I I I I I I I TRANSMISOR DE TEMPERATURA A OTR ~ I I i i I ~o" I-~';~:- .=~ ~,~-=-: : .:".:. 9 ~. 5::U)_ : I __ @ '----------- - -.@ I ~------- ----- - ----------- --------~ Figura 8-5. Detalle de la conexin del controlador LVPROSIM y el Transmisor de temperatura a OTR. COMPUTADORA LVPROSIM PUERTO SERIE ENTRADA DE REALIMENTACiN DEL CONTROLADOR (VARIABLE MEDIDA) Diagramas de conexin VOLTAJE DE LNEA CA FUENTE DE ALIMENTACiN DE 24 VCC r--------- -------------, ADAPTADOR DE 24 VCA 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ~~ i 1 @-:::::.@- _ J CABLE RS-232 r-------PUERTO SERIE DB-9 ENTRADA DE ALIMENTACiN DE 24 VCA INTERFAZ EIS ."",.." ---_- EI'ImAOASANAlOGICAS -~ @ ....,., ANALOGICAS @@ @-(fh 1 1 1 @ @ E""'-'DAS OGT .... , @@ @ @ ....,.. DIGITAlES @@ > L ________________________ _ _ TRANSMISOR OE TEMPERATURA A TERMOPAR (i\ G) .... \f}~ \.!) .' .. -- __ ____ 1 ----_ ..... ,~ CD .. _@-@@ t 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ."",.." 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ' ~.- -:.9-:,', .0., .0., ][ u~ - 1 r-- - -@ ~ - ~ ,~ Q : :1 ~ -~~7C',. :1 '";P ""-- M.O"~ _-:: ~ : CD .... @-@ @ CD G)"-@-@ @ : 1 1 : O O: 1 +- 1 L -- --- -~ L~============================================ ____ J Figura 86. Detalle de la conexin del controlador LVPROSIM y el Transmisor de temperatura a termopar TT1. 8-7 8-8 Diagramas de conexin VOLTAJE DE LNEA CA 9 1 ADAPTADOR DE 24 VCA UNIDAD DE REFRIGERACiN QTRANSMISOR DE TEMPERATURA 1 A DTR CONECTOR 1 1 1 : ATMSFERA 1 SONDA DTR I 7,5cm (3 pulg.) CABLE RS-232 1 r--------1 ENTRADA DE 1 PUERTO 1 :ALlMENTACIN 1 SERIE : 1 DE 24 VCA 1 DB-9 1 1 1 1 1 : 0 o o o o o r---------"~ '---~'----- --@ @ @ @ @ @ 1 1 1 1 I I .,.."a:;c.o.s :>uT'US OOGIT ... u 1 1) . - . , .-1 1 r- I '----- --@! .. * iijj : ''' 1 _ 1 __ _____ __ J Figura 8-7. Diagrama detallado de las conexiones de tubera y elctricas requeridas para el control en lazo cerrado del proceso de temperatura en modo de calefaccin. (El controlador LVPROSIM se usa como controlador de temperatura TIC1, mientras que el generador de funciones de LVPROSIM se utiliza para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo.) A B C D E F G H I J K L M N O Apndice e Smbolos de instrumentacin I.S.A. Significado de los cdigos de letra usados en nmeros identificadores La siguiente tabla enuncia las variables y funciones asociadas con la primera y dems letras de los nmeros identificadores que acompaan a los smbolos de instrumentacin de la Sociedad de Instrumentos de Amrica (loSA). Los nmeros dentro de parntesis se refieren a notas explicativas especficas de la pagina C-2 y siguientes. PRIMERA LETRA (1) LETRAS SUBSIGUIENTES (2) VARIABLE MEDIDA o MODIFICADOR FUNCiN PASIVA FUNCiN DE SALI-MODIFICADOR DE INICIALIZACiN o DE LECTURA DA Anlisis (3) Alarma Quemador, combus- De escogencia del De escogencia De escogencia tin usuario (4) del usuario (4) del usuario (4) De escogencia del Control (5) usuario (4) . , De escogencia del Diferencial (1) usuario (4) Voltaje Sensor (elemento primario) Caudal Razn (frac-cin) (1) De escogencia del Dispositivo visualiza-usuario (4) dor de vidrio (6) Manual Alto (7, 8, 9) Corriente (elctrica) Indicar (10) Potencia Exploracin (7) Tiempo, horario Tasa de tiempo Estacin de con-de cambio (1) trol Nivel Luz (11) Bajo (7, 8, 9) De escogencia del Momentneo Medio, intermedio usuario (4) (1 ) (7, 8) De escogencia del De escogencia del De escogencia De escogencia usuario (4) usuario (4) del usuario (4) del usuario (4) De escogencia del Orificio, restriccin usuario (4) C-1 P Q R S T U V W X Y Z C-2 Smbolos de instrumentacin I.S.A. PRIMERA LETRA (1) LETRAS SUBSIGUIENTES (2) VARIABLE MEDIDA o MODIFICADOR FUNCiN PASIVA FUNCiN DE SALI-MODIFICADOR DE INICIALIZACiN O DE LECTURA DA Presin, vaco Punto (de prueba) , conexin Cantidad Integrar, totalizar (1) Radiacin Registrar (12) Velocidad, frecuencia Seguridad (13) Interruptor (5) Temperatura Transmitir Multivariable (14) Multifuncin (15) Multifuncin (15) Multifuncin (15) Vibracin, anlisis Vlvula, amorti-mecnico guador, lumbrera (5) Peso, fuerza Fluir No clasificado (16) Eje X No clasificado (16) No clasificado No clasificado (16) (16) Evento, estado o pre- Eje Y Rel, computar, sencia convertir (5, 17) Posicin , dimensin Eje Z Mando, actuador, elemento de con-trol final no clasifi-cado Tabla C-1. Cdigos de letra usados en nmeros rotulados. NOTAS EXPLICATIVAS PARA LA TABLA C-1 (1) Cualquier primera letra, si se utiliza en combinacin con las letras modificado-ras O (diferencial) , F (razn), M (momentneo) , K (tasa de tiempo de cambio), Q (integrar o totalizar) o cualquier combinacin de stas, se propone para representar una variable medida nueva y separada y la combinacin se trata como una entidad primera letra. Por ejemplo, los instrumentos TD1 y T1 indican dos variables diferentes, llamadas, temperatura diferencial y temperatura. Las letras modificadoras se utilizan cuando sea aplicable. (2) La forma gramatical de los significados de las letras siguientes se puede modificar segn se requiera. Por ejemplo, "indicar" se puede aplicar como "indicador" o "de indicacin" , "transmitir" como "transmisor" o "de transmi-sin" , etc. (3) La primera letra A (anlisis) abarca todos los anlisis no descritos por una letra "de escogencia del usuario" . Se espera que el tipo de anlisis sea definido por fuera de una burbuja de rtulo. Smbolos de instrumentacin I.S.A. (4) Una letra de escogencia del usuario se propone para abarcar significados no enunciados que sern usados repetitivamente en una aplicacin particular. (5) Un dispositivo que conecta, desconecta o transfiere uno o ms circuitos puede ser un interruptor, un rel, un controlador ENCENDIDO-APAGADO o una vlvula de control, dependi'endo de la aplicacin. (6) La funcin pasiva G aplica a instrumentos o dispositivos que proveen una visualizacin no calibrada, tales como vidrios de nivel y monitores de televisin. (7) El uso de los trminos modificadores "alto", "bajo" , "medio" o "intermedio" y "exploracin" es opcional. (8) Los trminos modificadores "alto" y "bajo", y "medio" o "intermedio" corres-ponden a valores de la variable medida, no a valores de la seal, a menos que se especifique otra cosa. (9) Los trminos "alto" y "bajo", cuando aplican a las posiciones de las vlvulas y de otros dispositivos de abrir y cerrar, estn definidos como sigue: "alto" denota que la vlvula est abierta o aproximndose a la posicin completa-mente abierta y "bajo" denota que est cerrada o ap oxinindose a la posicin completamente cerrada. (10) "Indicar" aplica normalmente a la lectura-analgica o digital-de una medicin. (11) Una luz indicadora que hace parte del lazo de un instrumento debe ser designada por una primera letra seguida por la letra L. (12) El trmino "registrar" aplica a cualquier forma de almacenamiento de informacin permanente que permite su recuperacin por cualquier medio. (13) El trmino "seguridad" aplica nicamente a elementos primarios de proteccin contra emergencia y a elementos de control final de proteccin contra emergencia. (14) El uso de la primera letra U para "multivariable" en lugar de una combinacin de primeras letras es opcional. (15) El uso de una letra subsiguiente U para "multifuncin" en vez de una combinacin de otras letras funcionales es opcional. (16) La letra no clasificada X se propone para abarcar significados no enunciados que sern usados slo una vez o para un alcance limitado. (17) Se espera que las funciones asociadas con el uso de la letra subsiguiente Y sean definidas por fuera de un pequeo cuadro encerrado sobre un diagrama cuando se considere necesario una definicin adicional. La tabla C-2 da los smbolos de funcin usados ms comnmente. e-3 Smbolos de instrumentacin I.S.A. SMBOLO FUNCiN LoSUMA Suma o totaliza fj.o DIF Resta PRO Promedio x Multiplica Divide { Extrae raz cuadrada IIP Convierte corriente elctrica en seal neumtica Tabla C-2. Smbolos de funcin usados ms comnmente. C-4 Apndice O Gua de seleccin para los elementos medidores de temperatura La siguiente tabla puede ayudar al lector en la seleccin de un tipo especfico de elemento primario para medicin de temperatura. sta no es de ninguna manera una tabla exhaustiva pero brinda una indicacin de los diferentes diseos disponibles en el mercado. ELEMENTOS DE MEDICiN DE TEMPERATURA TIPO DE DISEO RANGO(S) DE TEMPE-CARACTERSTICAS RATURA Termmetro Oesde Provee una lectura visual directa de la temperatura. bimetlico -70 hasta 50C Puede ser acoplado mecnicamente a un lapicero de (-100 hasta 125F) al anotacin. Fcil de usar, relativamente econmico. Ms lmite de 100 has- fcil de leer que el termmetro de bulbo. Menos exacto ta 550C que el termmetro de tubo. (200 hasta 1000F) Termmetros Oesde Proveen una lectura visual dire.c;ta d la temperatura. de tubo y de -40 hasta 40 C Relativamente econmicos, fciles de usar. El term-bulbo (-40 hasta 110F) al metro de tubo puede ser difcil de leer y est sujeto a lmite de rompimiento. El termmetro de bulbo provee una exac-10 hasta 400C titud aceptable, pero tiende a ser voluminoso y a tener (50 hasta 750F) una lenta velocidad de respuesta. Detector de -220 hasta 850 C Produce un cambio en la resistencia elctrica propor-temperatura (-360 hasta 1560F) cional a la temperatura. Es uno de los elementos de resistivo (DTR) para OTR de platino, medicin de temperatura ms exactos, estables y sen--200 hasta 320C sibles. El diseo OTR de cobre minimiza el error causa-(-330 hasta 600F) do por los voltajes parsitos de Seebeck que ocurren para OTR de nquel cuando alambres aislados de cobre convencional son conectados a travs del OTR. El OTR es ms costoso, ms frgil, ms largo en tamao y ms lento para res-ponder a cambios de temperatura que el termopar. Los errores en la medicin pueden ocurrir si hay humedad en la envoltura. La exactitud de la medicin depende de la estabilidad trmica del equipo usado para medir la resistencia del OTA. Termistor -101 hasta 316C Produce un cambio en la resistencia elctrica propor-(-150 hasta 600F) cional a la temperatura. Econmico, pequeo, rpida para termistores de velocidad de respuesta y muy alta sensibilidad. No metal oxido necesita compensacin de la juntura en fro. No lineal, frgil e inadecuado para requerimientos de gama am-plia. No puede ser intercambiado sin recalibracin de los circuitos asociados. Carente de estabilidad a muy altas temperaturas. 0-1 TIPO DE DISEO Termopar Pirmetro de radiacin D-2 Gua de seleccin para los elementos medidores de temperatura RANGO(S) DE TEMPE-CARACTERSTICAS RATURA -184 hasta 400C Produce un pequeo voltaje proporcional a la tempera-(-300 hasta 750F) tura. Econmico, pequeo, robusto, de amplio rango, para diseos tipo T, estable, exacto y rpido. Requiere una referencia para O hasta 1760C proveer mediciones de temperatura exactas ya que la (32 hasta 3200F) conexin del medidor puede producir voltajes parsitos para diseos tipo S de Seebeck. Sensible a niveles de ruido tpicos de fuentes de ruido comunes tales como cableado elctri-co cercano y tierras capacitivas. 760 hasta 3500C Mide temperatura basndose en la radiacin emitida (1400 hasta 6300F) por un cuerpo caliente. No requiere contacto directo para diseos pticos, con el cuerpo. Rpida velocidad de respuesta, puede -40 hasta 4000C medir muy altas temperaturas. Frgil y costoso, no (-40 hasta 7000F) lineal, su gama de temperatura mnima es relativamen-para diseos de ban- te amplia. da ancha y angosta Tabla D-1. Elementos de medicin de temperatura Apndice E Factores de conversin Utilice los siguientes factores de conversin para convertir las mediciones S.I. o mtricas en mediciones E.U. y viceversa. UNIDADS.I. o MTRICA FACTOR UNIDADE.U. FACTOR UNIDAD S.I. o MTRICA Longitud Centmetros (cm) x 0,394 = Pulgadas (pulg.) -" x 2,54 = Ceritmetrqs (cm) Metros (m) x 3,281 = Pies (ft) x 0,305 = Metros (m) rea Centmetros cuadrados x 0,155 = Pulgadas cuadradas x 6,452 = Centmetros cuadrados (cm2) (pulg.2) (cm2) Metros cuadrados (m2) x 10,76 = Pies cuadrados (ft2) x 0,093 = Metros cuadrados (m2) ... Volumen (capacidad) z , Metros cbicos (m3) x 35,31 = Pies cbicos (ft3) x 0,028 = Metros cbicos (m3) Metros cbicos (m3) x 264 = Galones EU (gal EU) x 0,0038 = Metros cbicos (m3 ) Litros (1) x 0,264 = Galones EU (gal EU) x 3,785 = Litros (1) Masa Kilogramos (kg) x 2,205 = Libras (lb o Ibm) x 0,454 = Kilogramos (kg) Fuerza Newtons (N) x 0,225 = Libras fuerza (lb; Ibf) x 4,448 = Newtons (N) Temperatura Grados Celsius (oC) x 1,8 + 32 = Grados Fahrenheit (OF) - 32 x 0,55 = Grados Celsius (oC) Kelvin (K) x 1,8 = Grados Rankine (OR) x 0,556 = Kelvins (K) Velocidad Metros por segundo (mIs) x 3,281 = Pies por segundo (ftls) x 0,305 = Metros por segundo (mIs) Centmetros por x 0,394 = Pulgadas por minuto x 2,538 = Centmetros por minuto minuto (cm/min) (pulg./min) (cm/min) E-1 Factores de conversin UNIDAD S.1. o MTRICA FACTOR UNIDADE.U. FACTOR UNIDAD S.I. O MTRICA Energa trmica Julios (J) x 0,00095 = Unidades trmicas brit- x 1054 = Julios (J) nicas (Btu) Potencia Vatios (W) x 0,00095 = (Btu/s) x 1054 = Vatios (W) Presin Kilopascales (kPa) x 0,145 = Libras fuerza por x 6,895 = Kilopascales (kPa) pulgada cuadrada (psi; Ibf/pulg.2) Kilopascales (kPa) x 4,018 = Pulgadas de agua x 0,249 = Kilopascales (kPa) @ 60F (pulg.HP) Bares (bar) x 14,5 = Libras fuerza por x 0,069 = Bares (bar) pulgada cuadrada (psi; Ibf/pulg.2) Milmetros de mercurio x 0,536 = Pulgadas de agua x 1,866 = Milmetros de mercurio @ OOG (mmHg) @ 60 F (pulg.H2O) @ OOG (mmHg) Caudal volumtrico Metros cbicos por x 15845 = Galones EU por x 0,000063 = Metros cbicos por segundo (m3/s) minuto (gal EU/min) segundo (m3/s) Metros cbicos por x 4,402 = Galones EU por x 0,227 = Metros cbicos por minuto (m3/min) minuto (gal EU/min) minuto (m3/min) Litros por minuto (I/min) x 0,264 = Galones EU por x 3,785 = Litros por minuto (I/min) minuto (gal EU/min) Litros por minuto (I/min) x 0,0353 = Pies cbicos por x 28,317 = Litros por minuto (I/min) minuto (ft3/min) Viscosidad dinmica Pascales segundo (Pas) x 0,672 = Libras fuerza por pie x 1,488 = Pascal es segundo (Pas) segundo (Ibf/ft s) Tabla E-l. Factores de conversin E-2 Apndice F Uso del Software de simulacin y de control de procesos (L VPROSIM) Introduccin El Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) de Lab-Volt, modelo 3674, se puede usar para controlar--el Sistema didctico en control de procesos, modelo 6090, o se puede configurar para simular un proceso genrico con ganancia, constante de tiempo y tiempo muerto ajustables, as como la constante de tiempo de la perturbacin. Este apndice es un resumen de cmo usar el LVPROSIM para realizar el control del Sistema didctico en control de procesos. Conexin del sistema La figura F-1 muestra cmo conectar la computadora LVPROSIM al Sistema didctico en control de procesos, a travs de la Interfaz E/S, modelo 9065. z , La entrada analgica 1 de la Interfaz E/S est dedicada a la entrada de realimentacin del controlador LVPROSIM. As, la Interfaz E/S convierte el voltaje suministrado por el transmisor del proceso a una seal RS-232 que es aplicada a la entrada de realimentacin del controlador. Debido a que el LVPROSIM acepta voltajes de entrada con un rango entre O y 5 V, el interruptor RANGO de la Interfaz E/S de la entrada analgica 1 debe ser llevado a la posicin 5 V. La salida analgica 1 de la Interfaz E/S est dedicada a la salida del controlador LVPROSIM. As, la Interfaz E/S convierte la seal RS-232 de la salida del controlador a un voltaje que se puede usar para controlar, por ejemplo, la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, modelo 6510; la potencia elctrica aplicada al calefactor de la Unidad de calefaccin, modelo 6530; o la velocidad de rotacin de los ventiladores de la Unidad de refrigeracin, modelo 6531. Una variacin de 0-1 00% de la salida del controlador LVPROSIM resulta en una variacin de 0-5 V en la salida analgica 1. F-1 COMPUTADORA LVPROSIM Uso del Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) INTERFAZ E/S (9065) SISTEMA DIDCTICO EN CONTROL DE PROCESOS (6090) ENTRADA ANALGICA 1 VARIABLE DE5V MEDIDA (REALIMENTACIN) -- - - - - - - - - - - -SALIDA DEL PUERTO L~~_A_L~~ ~~.=.2~~ PUERTO SALIDA DEL TRANSMISOR CONTROLADOR -------- ----. SERIE SERIE '-- --- - ----' SALIDA ANALGICA 1 ELEMENTO DE CONTROL F-2 ADAPTADOR DE 24 VCA I I 6 VOLTAJE DE lNEA CA DE 5V Figura F-1. Control del Sistema didctico en control de procesos de Lab-Volt con el Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM). Cuando el software LVPROSIM es ejecutado por primera vez Cuando el software LVPROSIM es ejecutado por primera vez, Inicia en su configuracin predeterminada de simulador genrico. Para implementar el control LVPROSIM del Sistema didctico en control de procesos, siga los siguientes pasos: 1. Seleccione Proceso de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido de Utilizacin del Equipo Didctico en Control de Procesos y luego, Continuar. 2. Seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSI M, seguido del Puerto de Como apropiado (1 2). 3. Despus de seleccionar el puerto apropiado, seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido del nmero de modelo de la Interfaz E/S que est usando, que puede ser 9065-00 9065-10. 4. Despus de seleccionar el nmero de modelo apropiado de la Interfaz E/S, establezca la comunicacin entre sta y la computadora L VPROSI M seleccio-nando Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido de Establecer la comunicacin. Si la comunicacin con la Interfaz E/S no se puede establecer o aparece un mensaje de error de comunicacin sobre la pantalla del LVPROSIM, verifique que la Interfaz E/S est correctamente energizada y que est conectada al puerto serie de la PC. La revisin de la Interfaz E/S se puede hacer como sigue: 1 . Conecte un alambre aislado entre la salida analgica 1 y la entrada analgica 1 de la Interfaz E/S. Uso del Software de simulacin y de control de procesos (L VPROSIM) 2. Lleve el interruptor RANGO de la ENTRADA ANALGICA 1 de la Interfaz E/S a la posicin 5 V. 3. Verifique que la Interfaz E/S est energizada. Ejecute el software LVPROSIM. 4. Seleccione Proceso de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido de Utilizacin del Equipo Didctico en Control de Procesos y luego seleccione Continuar. 5. Seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSI M, seguiQo del Puerto de Com apropiado (1 2). . 6. Seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido del nmero de modelo de la Interfaz E/S que est usando, que puede ser 90.65-0.0. 90.65-10.. 7. Seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido de Establecer la comunicacin. 8. El controlador est ahora en modo manual (lazo abierto). Colquelo en modo automtico (lazo cerrado) llevando el interruptor AUTO/MANUAL a AUTO. Si la comunicacin entre el LVPROSIM y la Interfaz E/S es correcta, se vern cambiar los valores en los campos Variable controlada y Salida del controlador. Generador de funciones El software L VPROSI M est provisto con un generador de funciones que se puede usar como una fuente de voltaje CC de 0.-5 V para controlar manualmente la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo. Esto elimina la necesidad de usar una fuente de voltaje CC externa o un segundo controlador para controlar la velocidad de rotacin de este mando cuando el controlador LVPROSIM es usado para controlar la Unidad de calefaccin o la Unidad de refrigeracin. Con el fin de usar el generador de funciones LVPROSIM para controlar la velocidad de rotacin del mando de velocidad variable de la Unidad de bombeo, conecte la entrada de control 0.-5 V de este mando a la computadora LVPROSIM a travs de la salida analgica 2 de la Interfaz E/S, de acuerdo con la figura B-2 del apndice B. El generador de funciones LVPROSIM luego se puede ajustar para producir un voltaje CC entre o. y 5 V, de acuerdo con los siguientes pasos: 1. Seleccione Gen. de funciones de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido de Ajuste. 2. Ajuste la Amplitud del generador en o. para producir un voltaje CC a la salida del generador. Luego ajuste el voltaje CC entre o. y 5 V, usando las flechas de la Desviacin. 0.% corresponde a o. V, mientras que 10.0.% corresponde a 5 V. Nota: Los ajustes de la frecuencia, multiplicador de frecuencia y tipo de forma de onda no importan, ya que una amplitud del generador de 0% causa que la salida del mismo sea un voltaje CC. F-3 F-4 Uso del Software de simulacin y de control de procesos (L VPROSIM) 3. Haga clic sobre ACEPTAR para regresar a la pantalla principal del LVPROSIM. 4. Seleccione Gen. de funciones de la pantalla principal, seguido de Conectar a la Salida analgica Canal 2. Registrador El registrador es el rea de visualizacin en el centro de la pantalla principal del LVPROSIM. El registrador se puede usar para graficar como funcin del tiempo cualquiera de las variables que se enuncian bajo la lista de seleccin Registrador. Estas variables incluyen Las variables conectadas a las entradas analgicas 1 hasta 6 de la Interfaz E/S. Las dos variables de salida del LVPROSI M (la salida analgica 1 siendo la salida del controlador y la salida analgica 2 siendo la salida del Generador de funciones). La referencia del controlador. Las seales de las secciones del controlador de modo proporcional, integral y derivativo. El registrador se puede hacer avanzar o retroceder en el tiempo con el uso de las dos flechas en la parte inferior izquierda. Cuando se hace clic sobre cualquiera de las flechas, el registrador se pone en modo de pausa automticamente. Observe que el registrador sigue contando el tiempo que pasa an cuando se hace el corrimiento. Cuando el registrador es reactivado haciendo clic sobre el botn Pausa, la grfica y el tiempo se reinician en el punto en donde se inici el corrimiento. El botn Borrar se usa para despejar el registrador. Una vez despejado, la grfica no se pueden recuperar. El botn Parar detiene el temporizador del reloj pero no la simulacin, mientras que el botn Reiniciar comienza nuevamente el temporizador del reloj desde cero. Observe que el reloj se puede reiniciar y detener con las selecciones del disparo del reloj . El botn Pausa detiene la simulacin y en consecuencia el reloj. El algoritmo del controlador El controlador LVPROSIM usa un algoritmo ideal no interactivo. As, la ecuacin que describe la salida del controlador LVPROSI M en cualquier tiempo especfico, t , est dada por: e (t) + ~ fe (t) dt + T o de (t) 1 + Cs (lo) TI dt lo donde Cs (t) = salida del controlador en un tiempo especfico; Uso del Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) e (t) Kc TI TD Cs (10) = = = = = error en un tiempo especfico; ganancia del controlador (recproca de la banda proporcional); tiempo de integracin; tiempo de derivacin; salida del controlador en el tiempo en que la observacin comienza (t = O). La ganancia del controlador, Kc, determina la magnitud de la accin proporcio-nal. Esta ganancia es el recproco de la banda proporcional, Bp (%). Cuando se ajustan las constantes de reglaje del controlador, la accin proporcional es ajustada en trminos de la banda proporcional. Entre ms baja (o ms angosta) es la banda proporcional , mayor ser la accin proporcional. El tiempo de integracin, TI ' determina la magnitud de la accin integral. El tiempo de integracin corresponde con el tiempo necesario para que la accin integral repita la accin de control proporcional, asumiendo que el error es constante. Entre ms corto es el tiempo de integracin, mayor ser la accin integral. Observe que el algoritmo del controlador contiene una funcin de "anti cierre de reposicin". Esta funcin apaga la accin integral tan pronto como la salida del controlador alcanza su lmite de salida (O o 100 %), lo cual minimiza el sobrepaso de la variable controlada siguiendo un cambi9 eS0"aln en la seal de error. ; Finalmente, el tiempo de derivacin, T D' determina la magnitud de la accin derivativa. El tiempo de derivacin corresponde al tiempo para el cual la accin derivativa produce el efecto de la accin proporcional. Entre ms largo es el tiempo de derivacin, mayor ser la accin derivativa. Observe que la accin derivativa se puede implementar en el error o en el proceso. El ajuste predeterminado es Accin derivativa sobre error. Cuando la accin derivativa est implementada sobre el error, los cambios en la referencia causarn que la accin derivativa produzca una salida. Esto podra conducir a oscilaciones errticas en la salida del controlador con las subsecuentes oscilaciones del proceso. Implementando la accin derivativa sobre el proceso, se producir una sal ida slo cuando la variable medida est cambiando y no ocurrir ninguna accin derivativa debido nicamente a un cambio en la referencia. Para implementar la accin derivativa en el proceso, seleccione Controlador en la pantalla principal , seguido de Constantes de reglaje. Quite la seleccin del cuadro Accin derivativa sobre error para conmutar a accin derivativa sobre proceso. Intervalo de muestreo El intervalo de muestreo y el tiempo de actualizacin de la pantalla son los mismos y se pueden cambiar seleccionando Reglajes de la pantalla principal del LVPRO-SIM, seguido de Ajuste del intervalo de muestreo. Si se selecciona un intervalo que es demasiado rpido para el procesador de su computadora, el programa procesar tan rpido como le sea posible (dependiendo de la velocidad del procesador) . El intervalo de muestreo predeterminado es de 500 ms. F-5 F-4 Uso del Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) 3. Haga clic sobre ACEPTAR para regresar a la pantalla principal del LVPROSI M. 4. Seleccione Gen. de funciones de la pantalla principal , seguido de Conectar a la Salida analgica Canal 2. Registrador El registrador es el rea de visualizacin en el centro de la pantalla principal del LVPROSIM. El registrador se puede usar para graficar como funcin del tiempo cualquiera de las variables que se enuncian bajo la lista de seleccin Registrador. Estas variables incluyen Las variables conectadas a las entradas analgicas 1 hasta 6 de la Interfaz E/S. Las dos variables de salida del LVPROSI M (la salida analgica 1 siendo la salida del controlador y la salida analgica 2 siendo la sal ida del Generador de funciones). La referencia del controlador. Las seales de las secciones del controlador de modo proporcional , integral y derivativo. El registrador se puede hacer avanzar o retroceder en el tiempo con el uso de las dos flechas en la parte inferior izquierda. Cuando se hace clic sobre cualquiera de las flechas, el registrador se pone en modo de pausa automticamente. Observe que el registrador sigue contando el tiempo que pasa an cuando se hace el corrimiento. Cuando el registrador es reactivado haciendo clic sobre el botn Pausa, la grfica y el tiempo se reinician en el punto en donde se inici el corrimiento. El botn Borrar se usa para despejar el registrador. Una vez despejado, la grfica no se pueden recuperar. El botn Parar detiene el temporizador del reloj pero no la simulacin, mientras que el botn Reiniciar comienza nuevamente el temporizador del reloj desde cero. Observe que el reloj se puede reiniciar y detener con las selecciones del disparo del reloj. El botn Pausa detiene la simulacin y en consecuencia el reloj . El algoritmo del controlador El controlador LVPROSIM usa un algoritmo ideal no interactivo. As, la ecuacin que describe la salida del controlador LVPROSI M en cualquier tiempo especfico, t, est dada por: e (t) + J.- fe (t) dt + T o de (t) 1 + Cs (lo) TI dt lo donde Cs (t) = salida del controlador en un tiempo especfico; Uso del Software de simulacin y de control de procesos (L VPROSIM) e (t) Kc TI TD Cs (10) = = = = = error en un tiempo especfico; ganancia del controlador (recproca de la banda proporcional) ; tiempo de integracin; tiempo de derivacin; salida del controlador en el tiempo en que la observacin comienza (t = O). La ganancia del controlador, Kc, determina la magnitud de la accin proporcio-nal. Esta ganancia es el reCproco de la banda proporcional, Bp (%) . Cuando se ajustan las constantes de reglaje del controlador, la accin proporcional es ajustada en trminos de la banda proporcional. Entre ms baja (o ms angosta) es la banda proporcional, mayor ser la accin proporcional. El tiempo de integracin, TI' determina la magnitud de la accin integral. El tiempo de integracin corresponde con el tiempo necesario para que la accin integral repita la accin de control proporcional, asumiendo que el error es constante. Entre ms corto es el tiempo de integracin, mayor ser la accin integral. Observe que el algoritmo del controlador contiene una funcin de "anti cierre de reposicin". Esta funcin apaga la accin integral tan pronto como la salida del controlador alcanza su lmite de salida (O o 100 %), lo cual minimiza el sobrepaso de la variable controlada siguiendo un cambio escaln en la seal de error. ' Finalmente, el tiempo de derivacin, T D' determina la magnitud de la accin derivativa. El tiempo de derivacin corresponde al tiempo para el cual la accin derivativa produce el efecto de la accin proporcional. Entre ms largo es el tiempo de derivacin, mayor ser la accin derivativa. Observe que la accin derivativa se puede implementar en el error o en el proceso. El ajuste predeterminado es Accin derivativa sobre error. Cuando la accin derivativa est implementada sobre el error, los cambios en la referencia causarn que la accin derivativa produzca una salida. Esto podra conducir a oscilaciones errticas en la salida del controlador con las subsecuentes oscilaciones del proceso. Implementando la accin derivativa sobre el proceso, se producir una salida slo cuando la variable medida est cambiando y no ocurrir ninguna accin derivativa debido nicamente a un cambio en la referencia. Para implementar la accin derivativa en el proceso, seleccione Controlador en la pantalla principal , seguido de Constantes de reglaje. Quite la seleccin del cuadro Accin derivativa sobre error para conmutar a accin derivativa sobre proceso. Intervalo de muestreo El intervalo de muestreo y el tiempo de actualizacin de la pantalla son los mismos y se pueden cambiar seleccionando Reglajes de la pantalla principal del LVPRO-SIM, seguido de Ajuste del intervalo de muestreo. Si se selecciona un intervalo que es demasiado rpido para el procesador de su computadora, el programa procesar tan rpido como le sea posible (dependiendo de la velocidad del procesador). El intervalo de muestreo predeterminado es de 500 ms. F-5 F-6 Uso del Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) El intervalo de muestreo afecta tanto al algoritmo del controlador como al tiempo de actualizacin del registrador. La exactitud del registrador aumenta mientras el intervalo de muestreo disminuye. As, un intervalo de muestreo ms corto dar un tiempo de visualizacin ms corto y por tanto, una mayor exactitud en el registra-dor. Funcin de extraccin de la raz cuadrada La seal de la variable medida que entra a la entrada analgica 1 de la Interfaz E/S (entrada de realimentacin del controlador LVPROSIM) se puede hacer lineal cuando la variable medida es no lineal, e.d. no es de primer grado con respecto a una o ms variables. Para activar la funcin de extraccin de la raz cuadrada en esta entrada, seleccione Reglajes de la pantalla principal del LVPROSIM, seguido de Configuracin de las entradas analgicas. Seleccione la casilla de verificacin Extraer raz cuadrada en la seccin de la Entrada analgica 1, luego acepte y regrese a la pantalla principal. Funcin de almacenamiento de datos Los datos usados para dibujar las variables de las entradas y salidas analgicas en el registrador se pueden guardar en un disco como un archivo de formato tipo .TXT y pueden ser importados a un programa de hoja de clculo para un anlisis detallado. Por ejemplo, esta funcin se puede usar para experiencias tales como la determinacin de las caractersticas dinmicas de un proceso desde su curva de respuesta escaln en lazo abierto. Para guardar en disco los datos dibujados, use el cuadro aliado del icono de disco en la esquina superior izquierda del rea de visualizacin del registrador. Cuando se hace clic en dicho cuadro comienza el almacenamiento de datos. Cuando se quita la seleccin del cuadro se detiene el almacenamiento de datos. Los datos almacenados se guardan en el archivo Trendrec.txt, disponible bajo la carpeta de aplicacin LVPROSIM. Si quiere mantener este archivo para sus registros, debe guardarlo con un nuevo nombre, ya que el archivo Trendrec.txt ser sobrescrito la prxima vez que se inicie la funcin de almacenamiento de datos. Cronmetro con disparo El cronmetro de LVPROSIM se utiliza para medir la duracin de tiempo para las experiencias tales como la generacin de una curva de reaccin de proceso. El cronmetro se puede disparar (reiniciar en O y empezar el conteo) porque se excede un cierto nivel en la perturbacin o en la salida del controlador. Tambin se puede ajustar para que se detenga cuando la variable controlada excede un cierto nivel. El cronmetro tambin se puede reiniciar o detener manualmente haciendo clic sobre el botn apropiado. El disparo del cronmetro se puede ajustar seleccionando Registrador de la pantalla principal, seguido de Ajuste del disparo del reloj . Uso del Software de simulacin y de control de procesos (LVPROSIM) Seguimiento de la referencia Esta funcin se usa para una transferencia suave y sin variacin repentina entre los modos de control manual (lazo abierto) y automtico (lazo cerrado). Cuando se habilita esta funcin y el controlador est en modo manual , la seal de referencia seguir a la variable medida, de tal forma que en el instante de la transferencia hacia el modo automtico, la variable medida se mantendr en su ltimo valor. Para habilitar la funcin seguimiento de la referencia, seleccione Controlador de la pantalla principal seguido de Referencia, luego seleccione la casilla de v.erificacin Seguimiento de la referencia. Control en cascada El controlador L VPROSI M se puede usar como esclavo en las aplicaciones de control en cascada. Para hacer esto, conecte la salida del controlador maestro a la entrada analgica 3 de la Interfaz E/S del controlador L VPROSI M que usted quiere que sea el esclavo. En esta interfaz, verifique que el interruptor RANGO de la entrada analgica 3 est ajustado en 5 V. Seleccione Controlador de la pantalla principal del LVPROSI M esclavo, seguido de Referencia, luego seleccione la casilla de verificacin Referencia remota (Canal 3). La salida del cOl1trolador maestro se usa ahora como referencia para el controlador LVPROSIM esqlavo. F-7 Bibliografa Byron Bird R., Stewart W.E y Lightfoot E.N. Transport Phenomena, New York: John Wiley & Sons, 1960 ISBN 0-471-07392-X Coughanowr, D.R. Process Systems Analysis y Control, Segunda edicin, New York: McGraw-Hilllnc., 1991 ISBN 0-07-013212-7 Liptak, B.G. Instrument Engineers' Handbook: Process Control, Tercer edicin, Pennsylvania, Chilton Book Company, 1995 ISBN 0-8019-8542-1 Liptak, B.G. Instrument Engineers' Handbook: Process Measurement y Analysis, Tercera edicin, Pennsylvania, Chilton Book Company, 1995 ISBN 0-8019-8197-2 Luyben, W.L. Process Modeling, Simulation y Control tor Chemical Engineers, Segunda edicin, New York: McGraw-Hill Inc., 1990. ISBN 0-07-1 00793-8 Perry, R.H. Y Green D. Perry's Chemical Engineers' Handbook, Sexta edicin, New York: McGraw-Hill Inc., 1984 ISBN 0-07-049479-7 , Shinskey, G.F. Process Control Systems, Tercer edicin, New York: McGraw-Hill Inc., 1988. Wildi, T. Metric Units y Conversion Charts, Segunda edicin, Piscataway, NJ: IEEE Press, 1995. ISBN 0-7803-1050-0 INSTRUMENTACiN Y CONTROL DE PROCESOS CONTROL DE PROCESO DE TEMPERATURA 33336-02 Primera edicin: Febrero de 2005 Impreso: Febrero de 2005 i Nosotros valoramos su opinin! Por favor tome algunos minutos para completar este cuestionario. Sus respuestas y comentarios permitirn mejorar nuestros manuales. Una vez completado, envelo a la direccin que se indica en el dorso de esta pgina o solictele a su profesor que lo haga. Cmo le resultaron los ejercicios? D Muy largos D Adecuados D Muy cortos ' Qu piensa de la informacin cubierta por los principios? D Muy poca D Suficiente D Mucha Cul es el nivel de dificultad de las secciones de procedimiento? D Muy difcil D Adecuado D Muy fcil Cul es el nivel de utilidad de las secciones de resumen del procedimiento? D Poco tiles D tiles D Muy tiles.; Cuntas horas se requirieron por ejercicio? D 1 D 2 D 3 o ms ERRORES DE PUBLICACiN Y COMENTARIOS Por favor, srvase hacernos llegar una fotocopia de las pginas en las que ha encontrado errores e indique, adems, las correcciones que deberan realizarse. Si usted desea recibir una copia de las pginas corregidas, srvase completar la seccin identificacin. FORMACiN DEL LECTOR D Profesor o Estudiante o Escuela secundaria o Formacin profesional o Escuela tcnica o Universidad IDENTIFICACiN NOMBRE ____________________________________________ _ DIRECCiN ________________________________________ __ TELFONO _______________ FAX ______________________ _ ... g.~!~~.Y.P.!!9.~! ................................................................................................................................................................................................ I?g.~!~~.Y.~~!. .. l LAB-VOL T L TOA. Departamento de publicaciones tcnicas 675, rue du Carbone Charlesbourg, Quebec, Canad G2N 2K7 i ..................................................................................................................................................................................................................... ..... i ~~y~ ~~y~1 c o a