Introducción a La Instrumentación Industrial Para El Control de Procesos

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  • Introduccin a la Instrumentacin Industrial para el Control de Procesos

    En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por el operador (hoy an existe este tipo de control en muchas fbricas); la labor de este operador consista en observar lo que est sucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y haca algunos ajustes (como abrir la vlvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador.

    Este lazo - proceso a sensor, a operador, a vlvula, a proceso - se mantiene como un concepto bsico en el control de procesos.

    En el control manual, sin embargo, slo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errtico; ms an, esta persona estar siempre limitada por el nmero de variables que pueda manejar.

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

    El control automtico a diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales. Adicionalmente a esto, existen una serie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para lograr cumplir con

  • varias funciones, algo que como se ha comentado, sera imposible de ser logrado por un operador con la precisin y eficiencia deseados.

    Un poco de Historia siempre es bueno

    El control de los primeros procesos industriales se bas en la habilidad de los operadores (control manual). En los aos siguientes, la aparicin de los controladores locales permiti al operador manejar varios lazos de control, pero subsista an el problema de recoleccin de datos. Los controladores locales son an muy tiles, as como tambin resistentes y simples. Sin embargo, debido a que estn directamente relacionados con el proceso y por lo tanto estn diseminados a travs de toda la planta, obviamente hace que el realizar mantenimiento y ajustes en dichos instrumentos demande mucho tiempo.

    El desarrollo de los dispositivos de control operados neumticamente marc un mayor avance en el control de procesos. Aqu las variables pueden ser convertidas en seales neumticas y transmitidas a controladores remotos. Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumtico realizaba simples clculos basados en una seal de referencia (set point) y la variable del proceso y ajusfar adecuadamente el elemento final de control. La ventaja estaba en que el operador poda controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizar los cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radicaban en la lentitud de la respuesta del sistema de control de cambios rpidos y frecuentes y a su inadecuada

  • aplicacin en situaciones en que los instrumentos estn demasiado alejados (prdidas).

    Alrededor de los 60, los dispositivos electrnicos aparecieron como alternativa de reemplazo a los controladores neumticos. Los controladores electrnicos para un lazo cerrado, son rpidos, precisos y fciles de integrar en pequeos lazos interactivos; sin embargo, la mejora en cuanto a operacin con respecto a los neumticos era relativamente pequea y adems la recopilacin de datos, an no muy fcil de manejar.

    Algn tiempo despus de la aparicin de los sistemas de control electrnicos analgicos, el desarrollo de los microprocesadores permiti el surgimiento de los transmisores y controladores digitales, as como de los controladores lgicos programables (PLC), adems, de sistemas especializados como por ejemplo, las mquinas de control numrico computarizado (CNC)

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

    Independientemente de la tecnologa, la evolucin de las tcnicas de control han tenido como uno de sus objetivos fundamentales, reemplazar la accin directa del hombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos y sistemas automticos, sin embargo, existe una analoga muy clara entre estos ltimos y el hombre, en los que respecta a la forma de actuar

    El tipo de proceso elegido para un determinado producto final depender de sus requerimientos de produccin y cantidades. En cualquier caso, para el control del mismo es necesario tener un conocimiento acerca de la instrumentacin utilizada y en general de los aspectos mecnicos relacionados al proceso. El control ptimo sin embargo, no solamente est en funcin de los dispositivos, equipos y sistemas a emplear, sino fundamentalmente del conocimiento del proceso que se desee controlar.

  • Instrumentos y equipos para el Control y Automatizacin de Procesos

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

    Aqu el proceso puede ser fsico o una reaccin qumica o conversin de energa. Existen distintos tipos de disturbios que afectan las condiciones del proceso. Estos disturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso.

    La variable controlada, es el parmetro que se desea controlar hasta el valor deseado o referencia (setpoint). El sensor mide el valor de la variable controlada y el transmisor, cambia este valor en una seal normalizada que puede ser transmitida. Esta seal es recibida por distintos componentes, dependiendo de la funcin de los instrumentos en et sistema tales como registro, indicacin, control y activacin de alarmas o enclavamiento.

  • En el caso del controlador (en este caso un controlador de procesos), esta seal (variable medida) es comparada con el setpoint y la diferencia (desviacin) sirve para el elemento fina! de control (comnmente una vlvula) para ajustar el valor de la variable manipulada. Este ajuste, hace que el valor de la variable controlada se dirija hacia el de la referencia.

    Desde luego, no todos los sistemas de control automtico tienen exactamente este modelo (llamado de realimentacin); existen variaciones como por ejemplo, l control pre-alimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre stos, etc. basados en instrumentos de tecnologas antiguas o modernas; de todas estas tecnologas, vamos a referirnos a aquellas relacionadas con procesos continuos de regulacin automtica, como veremos ms adelante.

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

  • Cuales son los instrumentos de medicin y control de procesos? ... Lo que no sabias de ellos

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

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

    Los retardos de medicin implican errores mientras el proceso est cambiando. La medicin no es slo tarda, sino tambin inexacta, debido a que sigue cambiando, an teniendo ya una lectura disponible. A ms lentitud en la respuesta, ms inexactitud en la medicin cuando sea recibida. Un disturbio de corta duracin, sin embargo, puede ser completamente indetectado si su duracin es corta comparada con el retardo de medicin. En ese caso, probablemente el disturbio tendr mnimo efecto en el proceso

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

  • Fig. 3 - Termocupla dentro de un termopozo

    Que son en si los transmisores?

    Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinacin de estos. Existen varios tipos de seales de transmisin: neumticas, electrnicas, hidrulicas y telemtricas. Las ms empleadas en la industria son las electrnicas las cuales han ido remplazando en el tiempo a las neumticas como seales aplicadas a estos equipos; las seales hidrulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las seales telemtricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor.

    Los transmisores neumticos generan una seal neumtica variable linealmente, de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0-100% de la variable. Esta seal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumticos en Estados Unidos. En los pases que utilizan el sistema mtrico decimal se emplea adems la seal 0,2-1 kg/cm2 que equivale aproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las seales neumticas mencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como seales de entrada a vlvulas de control o a sus posicionadores.

    Los transmisores electrnicos generan varios tipos de seales elctricas de corriente continua y seales digitales. Entre las primeras, las ms empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La seal electrnica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisin y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, est libre de corrientes parsitas, emplea slo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar

  • directamente sobre miliampermetros, potencimetros, calculadores analgicos, etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la seal. El "cero vivo" con el que empieza la seal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avera por corte de un hilo (la seal se anula) y de permitir el diferenciar todava ms el "ruido" de la transmisin cuando la variable est en su nivel ms bajo.

    Los transmisores electrnicos se pueden catalogar en analgicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analgicos estn hoy prcticamente en desuso y debido a su constitucin mecnica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

    La tecnologa actual, ha hecho que los transmisores electrnicos, no slo incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que adems, tengan posibilidades de control (PID) sobre e! elemento final de control. A estos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre los analgicos como veremos ms adelante Por otro lado, el empleo cada vez mayor de seales digitales en estos transmisores determinar en algn momento la estandarizacin de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la seal analgica de 4-20 mA.

    Fig. 4 - Transmisores Digitales

  • Y los controladores?

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

    Un controlador de procesos ( regulador), puede ser definido como un dispositivo que compara el valor de una variable medida (seal de entrada) al valor deseado (setpoint) para producir una seal de salida que mantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia para manipular la variable controlada. La tecnologa de estos equipos ha variado desde neumticos, hidrulicos hasta electrnicos, que son los empleados actualmente.

    Anteriormente, se mostr un tpico lazo de control automtico con los componentes bsicos: el elemento de deteccin (sensor) el elemento de medicin (transmisor), el elemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (vlvula u otro). Es de destacar que dos o ms de estos elementos pueden estar formando un solo bloque, pero no es lo ms usual.

    Fig. 5 Controladores Digitales

    Durante muchos, aos se emplearon controladores neumticos actuando con las seales neumticas estndares antes mencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrnicos analgicos y digitales. Los primeros, prcticamente ya no se fabrican (aunque todava se utilizan) y han sido reemplazados por los ltimos, los cuales estn basados en microprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores.

  • A que le llaman elementos finales de control?

    Son aquellos que finalmente responden, dentro de un lazo de control para realizar un cambio en la variable controlada. En la mayora de los procesos las vlvulas de control, son las usadas, si se trata de: controlar variables como flujo, presin, nivel, temperatura o mezcla ce componentes. La mayora de los flujos de fluidos son controlados por vlvulas neumticas o elctricas, en otros casos se emplean bombas; para servicios de gases a menudo se emplean vlvulas especiales y para slidos es comn hablar de fajas transportadoras alimentadas y con control de velocidad electrnico.

    Fig. Vlvula de control neumtica

    Algn otro elemento o instrumento ms?

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

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

    Los registradores proveen registros continuos de las variables medidas con respecto al tiempo, las cartas registradoras, usan esencialmente las mismas escalas que los instrumentos indicadores, pero con una coordenada adicional para indicar tiempo: pueden ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables. Las velocidades de registro varan desde varios minutos por revolucin hasta varios das por revolucin, en el caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo a centmetros por hora, para los de carta de cinta. Actualmente se dispone tambin de los llamados registradores inteligentes (basados en microprocesadores) que van mucho ms all de registrar las tendencias de las variables (es posible hacer anlisis, reportes, etc.) siendo la tendencia a dejar de emplear papel y ms bien guardar los datos en memoria (accin hasta hace poco realizada solamente por los llamados data loggers) y mostrarlos en una pantalla de cristal lquido (LCD) o a travs de una computadora.

    El desarrollo de controladores electrnicos cre la necesidad de contar con dispositivos que convirtiesen seales de un tipo de energa a otro y de un nivel de seal a otro, como el conversor de corriente a presin para actuar sobre las vlvulas neumticas.

    A menudo se requiere convertir seales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemas electrnicos que reciben seales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores que envan seales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizara un conversor de corriente a corriente aunque ya hoy en da, esto constituye una opcin de software y no de hardware, como tambin ha sucedido con los extractores de raz cuadrada y otros dispositivos de clculo debido al desarrollo de la tecnologa digital.

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

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

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

    En general, la respuesta de un sensor determina cuan bien se va efectuar la medicin, el registro o control de una variable; y su seleccin es el resultado de conocer bien las caractersticas de un proceso. Algunas de las caractersticas ms importantes de un sensor o transductor que definen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolucin, etc. Otro aspecto importante es el denominado tiempo de respuesta o

  • tiempo necesario para que el dispositivo entregue la informacin final. En la medida que este retardo se pueda minimizar, se tendr un mejor control del proceso

    Los retardos de medicin implican errores mientras el proceso est cambiando. La medicin no es slo tarda, sino tambin inexacta, debido a que sigue cambiando, an teniendo ya una lectura disponible. A ms lentitud en la respuesta, ms inexactitud en la medicin cuando sea recibida. Un disturbio de corta duracin, sin embargo, puede ser completamente indetectado si su duracin es corta comparada con el retardo de medicin. En ese caso, probablemente el disturbio tendr mnimo efecto en el proceso

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

    Fig. 3 - Termocupla dentro de un termopozo

    Que son en si los transmisores?

    Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinacin de estos. Existen varios tipos de seales de transmisin: neumticas, electrnicas, hidrulicas y telemtricas. Las ms empleadas en la industria son las

  • electrnicas las cuales han ido reemplazando en el tiempo a las neumticas como seales aplicadas a estos equipos; las seales hidrulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las seales telemtricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor.

    Los transmisores neumticos generan una seal neumtica variable linealmente, de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 -100% de la variable. Esta seal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumticos en Estados Unidos. En los pases que utilizan el sistema mtrico decimal se emplea adems la seal 0,2-1 kg/cm2 que equivale aproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las seales neumticas mencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como seales de entrada a vlvulas de control o a sus posicionadores.

    Los transmisores electrnicos generan varios tipos de seales elctricas de corriente continua y seales digitales. Entre las primeras, las ms empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La seal electrnica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisin y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, est libre de corrientes parsitas, emplea slo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamente sobre miliampermetros, potencimetros, calculadores analgicos, etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la seal. El "cero vivo" con el que empieza la seal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avera por corte de un hilo (la seal se anula) y de permitir el diferenciar todava ms el "ruido" de la transmisin cuando la variable est en su nivel ms bajo.

    Los transmisores electrnicos se pueden catalogar en analgicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analgicos estn hoy prcticamente en desuso y debido a su constitucin mecnica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

    La tecnologa actual, ha hecho que los transmisores electrnicos, no slo incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que adems, tengan posibilidades de control (PID) sobre e! elemento final de control. A estos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre los analgicos como veremos ms adelante Por otro lado, el empleo cada vez mayor de seales digitales en estos transmisores determinar en algn momento la

  • estandarizacin de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la seal analgica de 4-20 mA.

    Fig. 4 - Transmisores Digitales

    Y los controladores? Tal como se ha comentado, el controlador es el que determina las acciones necesarias para mantener las variables de un proceso en el valor deseado (controlador de procesos) tambin puede ser aquel que asegura las secuencias necesarias de produccin en base a un programa preestablecido (PLC). Vamos a referirnos aqu al primero de ellos.

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

    Anteriormente, se mostr un tpico lazo de control automtico con los componentes bsicos: el elemento de deteccin (sensor) el elemento de medicin (transmisor), el elemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (vlvula u otro). Es de destacar que dos o ms de estos elementos pueden estar formando un solo bloque, pero no es lo ms usual.

  • Fig 5 - Controladores Digitales

    Durante muchos, aos se emplearon controladores neumticos actuando con las seales neumticas estndares antes mencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrnicos analgicos y digitales. Los primeros, prcticamente ya no se fabrican (aunque todava se utilizan) y han sido reemplazados por los ltimos, los cuales estn basados en microprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores.

    A que le llaman elementos finales de control?

    Son aquellos que finalmente responden, dentro de un lazo de control para realizar un cambio en la variable controlada. En la mayora de los procesos las vlvulas de control, son las usadas, si se trata de: controlar variables como flujo, presin, nivel, temperatura o mezcla ce componentes. La mayora de los flujos de fluidos son controlados por vlvulas neumticas o elctricas, en otros casos se emplean bombas; para servicios de gases a menudo se emplean vlvulas especiales y para slidos es comn hablar de fajas transportadoras alimentadas y con control de velocidad electrnico.

  • Vlvula de control neumtica

    Algn otro elemento o instrumento mas?

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

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

    Los registradores proveen registros continuos de las variables medidas con respecto al tiempo, las cartas registradoras, usan esencialmente las mismas escalas que los instrumentos indicadores, pero con una coordenada adicional para indicar tiempo: pueden ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables. Las velocidades de registro varan desde varios minutos por revolucin hasta varios das por revolucin, en el caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo a

  • centmetros por hora, para los de carta de cinta. Actualmente se dispone tambin de los llamados registradores inteligentes (basados en microprocesadores) que van mucho ms all de registrar las tendencias de las variables (es posible hacer anlisis, reportes, etc.) siendo la tendencia a dejar de emplear papel y ms bien guardar los datos en memoria (accin hasta hace poco realizada solamente por los llamados data loggers) y mostrarlos en una pantalla de cristal lquido (LCD) o a travs de una computadora.

    El desarrollo de controladores electrnicos cre la necesidad de contar con dispositivos que convirtiesen seales de un tipo de energa a otro y de un nivel de seal a otro, como el conversor de corriente a presin para actuar sobre las vlvulas neumticas.

    A menudo se requiere convertir seales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemas electrnicos que reciben seales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores que envan seales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizara un conversor de corriente a corriente aunque ya hoy en da, esto constituye una opcin de software y no de hardware, como tambin ha sucedido con los extractores de raz cuadrada y otros dispositivos de clculo debido al desarrollo de la tecnologa digital.

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

  • Sensores de Presin: Lo bsico... pero lo importante

    La primera tarea de un sistema automatizado consiste en obtener la informacin del proceso que est controlando. El contar con dispositivos instrumentos que se encarguen entonces de medir correctamente las variables de estos procesos es fundamental para el ptimo control de los mismos.

    Existen diversas variables cuyas formas de medicin son tambin muy variadas. Sin embargo vamos a describir principalmente las que son consideradas las ms importantes en la mayora de los procesos industriales: presin, temperatura, nivel y flujo.

    MEDICIN DE PRESIN

    Existen varias formas de clasificar los elementos o dispositivos medidores de presin. Una de ellas, los divide en aquellos denominados de balance de gravedad, los que emplean dispositivos de deformacin elstica y los que utilizan elementos que entregan una respuesta elctrica representativa de la presin medida. El tipo de presin que mayormente se mide en los procesos industriales es la denominada presin manomtrica que es la que tiene icomo referencia o punto de partida a la presin atmosfrica. Para tal fin se emplean medidores llamados manmetros cuyas escalas estn graduadas en diversas unidades. En la tabla siguiente podemos comparar las unidades ms importantes:

    Tabla I Comparacin de unidades de presin

  • DISPOSITIVOS DE BALANCE DE GRAVEDAD

    Miden presiones desconocidas, balancendolas en contra de la fuerza gravitacional de lquidos; a pesar de que son ms usados en laboratorio, encuentran aplicaciones en plantas industriales.

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

    ELEMENTOS DE DEFORMACIN ELSTICA

    Son dispositivos que alteran su forma cuando son sometidos a presin. Dentro de estos, aparecen los tubos de Bourdon (en "C", en espiral y helicoidal), en donde la forma y tipo de material definen el rango de aplicacin; tambin, se utilizan los denominados diafragmas,, cpsulas y fuelles, generalmente comn en medicin de presiones relativamente ms bajas que para el caso de los tubos de Bourdon). Estos elementos han sido los ms empleados en la fabricacin de manmetros.

    Fig. 1 - Manmetros

  • TRANSDUCTORES ELCTRICOS DE PRESIN Cualquiera de los dispositivos de deformacin elstica puede ser unido a un dispositivo elctrico para formar un transductor elctrico de presin. Estos, producen cambios de resistencia, inductancia o capacitancia. Dentro de los primeros se deben mencionar a las galgas extensiomtricas (strain gagas). Una galga extensiomtrica es simplemente un alambre muy fino formando una grilla la cual est pegada a un papel especial. Cuando la grilla es afectada por la presin, ocurre un cambio de resistencia de acuerdo a la siguiente frmula:

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

    Este tipo de transductor puede ser usado para detectar pequeos movimientos y por lo tanto pequeos cambios de presin. Las galgas extensiometricas utilizan circuitos con puente de Wheatstone para obtener una salida elctrica. Otro tipo de transductor similar emplea un disco elstico en el cual, el elemento de deformacin es de silicio y est sellado en un fluido con silicona y protegido por un diafragma.

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

    Debido a que la medicin de nivel y de flujo requieren en algunos casos medir presin diferencial, este tipo de presin es de gran importancia en los procesos industriales. Dentro de los dispositivosj ms utilizados se emplean algunos cuya salida normalizada, los convierte en transmisores, sean neumticos o electrnicos. En ambos casos se trata de instrumentos en donde una cpsula de diafragma o sensor capacitivo sirve de sensor primario radicando desde luego la principal diferencia en la estructura de salida (transmisin).

  • Fig. 2 Transductores de presin

    Sensando Temperatura: conociendo ms detalles

    La temperatura es una variable, que a diferencia de otras, debe ser medida en trminos de los efectos indirectos que tiene sobre las propiedades fsicas de los materiales o en los cambios producidos en circuitos elctricos (voltaje o resistencia).

    Cambios como estos, deben relacionarse con fenmenos reproducibles en laboratorio, tales como los puntos de ebullicin y congelacin del agua. Los puntos de calibracin en laboratorios son a menudo basados en las temperaturas en las cuales existe un equilibrio lquido - vapor de sustancias puras, como oxgeno, agua, sulfuro, plata y oro.

    Medidores locales: Los Termmetros

    Sobre un periodo de aos, por lo menos cinco escalas de temperaturas diferentes se han usado en la medicin de esta variable. Las dos ms comnmente usadas, Fahrenreit y Centgrada, usan alcances (span) arbitrarios de 180F y 100C respectivamente para los puntos de ebullicin y congelacin del agua. Otras dos escalas (RankSne y Keiwin) que tienen como referencia el cero absoluto.

    Desde un punto de vista histrico, el primer dispositivo prctico para medir temperatura fue el termmetro de vidrio, es por eso que empezaremos por l para examinar las diversas formas que existen para medir temperatura.

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

    Termmetros Bimetlicos: La operacin de estos dispositivos se basa en el principio de que los metales diferentes tienen diferentes coeficientes de expansin trmica. Si dos aleaciones metlicas diferentes son soldadas formando un espiral se tiene el elemento bimetlico. Cuando este conjunto es calentado, tiende a desarrollarse debido a la diferente expansin trmica de cada aleacin. Si se conecta un puntero al espiral por medio de un eje, el puntero se mover e indicar la temperatura sobre una escala circular calibrada.

    Fig. Termmetros Bimetlicos

  • Sistemas trmicos de llenado

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

    Este fenmeno se utiliza para expandir un elemento de presin, usualmente un tubo de Bourdon el cual transmite el movimiento a un indicador o asociados a otros elementos para transmitir o registrar. Son bsicamente sistemas sencillos y robustos que sin embargo han ido desapareciendo dejando su lugar a otros tipos de formas de medicin que veremos a continuacin.

    Mtodos elctricos para medir temperatura

    Existen varias formas de obtener una seal elctrica que represente a la temperatura medida. Dentro de stas podemos sealar a los sistemas de medicin que emplean termocuplas, RTD y otros.

    - Las ms famosas: Las Termocuplas

    La termocupla es una de los ms simples y^ comunes mtodos usados para determinar la temperatura de procesos. Cuando se requiere una indicacin remota o cuando se necesita displayar la temperatura de varios puntos, este mtodo es el ms apropiado. En 1821 TJ. Seebeck descubri que cuando se aplicaba calor a la unin de dos metales distintos, se generaba una fuerza electromotriz, la cual puede ser medida en otra juntura (fra) de estos dos metales (conductores); estos conductores forman un circuito elctrico y la corriente circula como consecuencia de la f.e.m. generada. Esto es vlido siempre y cuando las temperaturas en las dos uniones sean distintas.

    Figura

    Para una determinada combinacin de materiales, el voltaje de salida (en milivoltios) vara en proporcin directa a la diferencia de temperatura entre dichas uniones o junturas. Para que la medida corresponda a la temperatura real, la juntura fra

  • (fsicamente localizada a la entrada del instrumento receptor) debe mantenerse constante, comnmente referida a cero grados centgrados. Para lograr han aparecido en el tiempo varios mtodos, siendo actualmente utilizada la electrnica para tal fin. La juntura de medicin (unin caliente) desde luego, estar ubicada en el lugar en donde se requiere medir temperatura.

    Fig 3 - Efecto Seebeck

    Para temperaturas moderadas (hasta alrededor de 260 C), combinaciones de hierro y cobre, hierro y constantn (aleacin de cobre y nquel) son usadas frecuentemente. A altas temperaturas (hasta alrededor de 1640 C), lo s hilos son fabricados de platino o aleacin de platino y rodio.

    Fig. Diferentes tipos de termocuplas

    A las termocuplas se les designa comnmente con una letra. As por ejemplo, una termocupla tipo J es de hierro / constantn (la barra de separacin es para indicar los materiales de cada hilo) y una de tipo K es de cromel / alumel (el cromel es una aleacin de cromo y nquel y el alumel es de aluminio y nquel).

  • Fig. 5 Termopozo (cortesa de mega)

    Existen varias combinaciones usadas en la fabricacin de termocuplas y la seleccin adecuada de estos sensores depende de su rango de utilizacin, salida en mV /C y los errores mximos en la medicin, adems de las caractersticas mecnicas deseadas. Las termocuplas no siempre estn en contacto directo con el proceso. A menudo se emplean elementos protectores que a la vez permiten remover una termocupla sin interrumpir el proceso. Tal es el caso de los termopozos.

    Los no menos famosos, los RTD's

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

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

  • R = 100 (1 + a T)

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

    Otros ms, termistores

    Son semiconductores hechos de carbn, germanio, silicio y mezclas de ciertos xidos metlicos, que exhiben coeficientes de temperaturas elevadas, usualmente negativos (NTC). Su caracterstica es no lineal y exhiben los cambios ms grandes en rangos de temperatura criognicos por debajo de 100K. Su res istencia es una funcin de temperatura absoluta. Las precisiones de estos dispositivos varan con el rango de temperatura. Por ejemplo, un sensor de germanio puede tener una variacin de + 0.005K sobre un rango criognico de 1.5 a 5K y d e 0.1K sobre un rango de 40 a 100K. Esto incluso puede variar con el tiempo de u so del sensor.

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

  • Sensores de estado solido

    Son pequeos transductores que convierten una entrada de temperatura en una corriente de salida; proporcional a ella. Son especialmente utilizados en aplicaciones dentro del rango de -55C a 150C en donde se requi eren gran confiabilidad, linealidad y exactitud. Una de las aplicaciones ms importantes es en la compensacin de la juntura fra para sistemas de medicin con termocupla.

    Los Pirmetros, sin contacto con el proceso

    Son dispositivos que miden temperatura por encima del rango aplicable a las termocuplas, a pesar: que ciertas aleaciones, permiten a estas ltimas llegar a 3000C aunque durante breves periodos. Algunos pirmetros pueden ser usados para medir temperaturas tan bajas como 0C y tan altas como 50 00C con gran precisin.

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

    Los pirmetros de radiacin ms empleados actualmente son los infrarrojos que por la tecnologa digital que poseen los hacen cada vez ms verstiles que sus predecesores, permitiendo por ejemplo automticamente hacer compensacin; por variaciones de la temperatura ambiente, ajuste de emisividad, etc.

  • Fig. 6. Pirmetro de Radiacin

    Medidores de Nivel, un interesante resumen y muy completo

    Los medidores de nivel pueden clasificarse en dos grupos generales: directos e indirectos. Los primeros aprovechan la variacin de nivel del material (lquido o slidos granulares) para obtener la medicin. Los segundos, usan una variable, tal como presin, que cambia con el nivel del material. Para cada caso, existen instrumentos mecnicos y elctricos disponibles.

    Primara forma: MEDICIN DIRECTA Los primeros dispositivos usados para indicar nivel consistan de tubos de vidrio de modo tal que el operador viese el fluido de proceso. Con el correr del tiempo, los cristales planos del tipo reflexivo o transparente han remplazado a los anteriores. En el caso de que el fluido sea peligroso (corrosivo, txico, etc.) como para emplear vidrio, se utilizan os de tipo magntico, en los cuales un imn instalado en un flotador permite el desplazamiento de un seguidor y este mecnicamente mueve un indicador relacionado a una escala graduada.

    El empleo de flotadores es muy comn, generalmente para acciones de control (interruptores de nivel). Del mismo modo los desplazadores, tienen acciones similares a los flotadores o boyas, con la diferencia que su movimiento, es ms restringido. Cuando el nivel de lquido cambia, la cantidad cubierta por el desplazador, va creciendo a medida que este es sumergido. La fuerza es transferida a un sistema neumtico a travs de un eje y de all al indicador.

  • Fig. Flotadores y transmisores

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

    La indicacin del nivel se da por intermedio de un circuito elctrico asociado al motor que sube y baja el cable. Los sondas elctricas propiamente dichas, emplean mtodos conductivos, capacitivos y ultrasnicos para medicin de nivel.

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

    Figura 7. Sensor de Nivel por conductividad

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

    Fig. 8. Sensor- Transmisor Capacitivo

    Los medidores del tipo ultrasnico se usan tanto para medicin continua, como discreta de nivel, aunque generalmente su uso est dado en acciones de alarma. En todos los diseos, se genera una seal en frecuencia y la interrupcin o deteccin de la seal generada es la base para una accin de control (detectores discretos). En medicin continua, se mide el tiempo transcurrido entre la emisin de la seal y la recepcin de la reflejada.

  • Fig. 9 Medicin por ultrasonido

    La otra forma: MEDICIN INDIRECTA

    Varios tipos de dispositivos de medicin indirecta de nivel son en efecto sensores de presin hidrostticos. El ms sencillo consiste en un manmetro ubicado en el nivel cero de un contenedor de lquido. Cualquier incremento de nivel causa un aumento de la presin hidrosttica, la cual es medida con el manmetro. La escala del manmetro es graduada en unidades de nivel.

    En el caso de mtodo de burbujeo, se ; utiliza una tubera conectada verticalmente en el contenedor. El extremo con abertura de la tubera es ubicado en el nivel cero del contenedor. El extremo es conectado a un suministro de aire. Cuando se va a hacer la medicin de nivel, el suministro de aire es regulado para que as la presin sea ligeramente ms alta que la presin hidrosttica. Este punto se encuentra al observar burbujas saliendo por el extremo inferior del tubo. Se lee entonces en el manmetro la indicacin de nivel (pies, pulgadas, galones, etc.).

    Un instrumento muy popular que utiliza el mtodo por presin hidrosttica es el transmisor de presin diferencias; en realidad, este enva una seal normalizada proporcional a la diferencia de dos presiones, una debida al lquido cuyo nivel se desea determinar (entrada alta) y otra debida a la presin atmosfrica (entrada baja), siempre y cuando sea un sistema abierto (tanque abierto a la atmsfera). Para el caso de tanques cerrados, la entrada "baja" debe conectarse ya

  • sea directamente en contacto con el gas encerrado en el extremo superior del depsito o utilizando un fluido de sello. En todo caso, la calibracin adecuada permitir una seal de salida (electrnica o neumtica) proporcional al nivel.

    Figura 10 Medicin con transmisor de presin diferencial

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

  • continua del nivel por este mismo mtodo, se utilizan varias fuentes radiactivas y uno o ms detectores.

    Figura 11 Mtodo por radiactividad

    Otro mtodo indirecto para determinar el nivel de los materiales es medir el peso de los mismos, en forma mecnica o elctrica. Los sistemas elctricos utilizan las llamadas celdas de cargas basadas en galgas extensiomtiicas (ya mencionadas anteriormente). A medida que las celdas son comprimidas por ei peso del material dentro del recipiente, tambin cambia la resistencia de ias galgas y por lo tanto vara la seal elctrica a la salida del puente de Wheatstone usado en la medicin. La medicin puede ser analgica o digital y la escala estar calibrada en unidades de nivel.

    Medicin de Flujo: la variable ms medida de la industria

    La medicin de flujo constituye tal vez, el eje ms alto porcentaje en cuanto a medicin de variables industriales se refiere. Ninguna otra variable tiene la importancia de esta, ya que sin mediciones de flujo, sera imposible el balance de materiales, el control de calidad y an la operacin de procesos continuos.

    Existen muchos mtodos para medir flujos, en la mayora de los cuales, es imprescindible el conocimiento de algunas caractersticas bsicas de los fluidos para una buena seleccin del mejor mtodo a emplear. Estas caractersticas incluyen viscosidad, densidad, gravedad especfica, compresibilidad, temperatura y presin, las cuales no vamos a detallar aqu.

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

    MEDICIN POR PRESIN DIFERENCIAL

    Utiliza dispositivos que originan una presin diferencial debido al paso de un fluido por una restriccin. La razn de hacer esto es que el caudal es proporcional a la raz cuadrada de la diferencia de presiones entre dos puntos, antes y despus de la restriccin. Uno de estos elementos es la placa - orificio o placa perforada. All, el fluido sufre una disminucin de su presin, la cual es mnima en el punto denominado "vena contracta". Si bien es cierto, la presin tiende a recuperarse, existe al final una prdida de presin.

    Una placa- orificio se coloca en una tubera, sujeta entre dos bridas. La forma y ubicacin del agujero son el rasgo distintivo de tres tipos de este dispositivo: la placa concntrica, la excntrica y la segmental; la seleccin de algunas de stas depende de las caractersticas del fluido a medir. Existen tres tipos de tomas de presiones a ambos lados del elemento primario: tomas de bridas,, tomas de tubera y tomas de vena contracta. Igualmente, aqu las caractersticas del fluido influirn en la eleccin de alguna de estas.

    Tpicamente se utiliza un transmisor de presin diferencial para la toma de las presiones y el envo de una seal que represente al flujo. A esta seal sin embargo se le debe extraer la raz cuadrada para obtener una respuesta lineal con respecto al flujo. Antiguamente se empleaban instrumentos especiales para tal fin. Hoy, esta es una funcin de software en instrumentos digitales.

    La placa perforada es finalmente, un elemento simple, barato, aunque no muy preciso, como otros dispositivos de presin diferencial. Aunque funcionalmente es sujeta a la erosin y dao, es fcil de remplazar.

  • Fig. 12 Medicin con placa - orificio y transmisor de presin diferencial

    Otra restriccin de tubera para la medicin del flujo es el tubo Venturi, el cual es especialmente diseado a la longitud de la "tubera". Tiene la forma de dos embudos unidos por sus aberturas ms pequeas y se utiliza para tuberas grandes; es ms preciso que la placa-orificio, pero es considerablemente ms costoso y ms difcil de instalar.

    Figura: Principio Venturi

    Un promedio entre la placa-orificio y el tubo Venturi es la tobera de flujo, la cual asemeja la mitad de un tubo Venturi por donde entra el fluido; este dispositivo es tan preciso como el tubo Venturi, pero no tan costoso ni difcil de instalar. Las tomas de presin utilizadas para el tubo Venturi, estn situadas en los puntos de mximo y mnimo dimetro de tubera. Para el caso de la tobera, se ubican segn recomendaciones del fabricante.

  • Otro elemento primario para medir flujo por el mtodo de presin diferencial es el Tubo Pilot, el cual en su forma ms simple,consiste en un tubo con un orificio pequeo en el punto de medicin (impacto).

    Cuando el fluido ingresa al tubo, su velocidad es cero y su presin es mxima. La otra presin para obtener la medida diferencial, se toma de un punto cercano a la pared de la tubera. Realmente, e! tubo Pilot mide velocidad de fluido y no caudal y adems no necesariamente el fluido debe estar encerrado en una tubera. Podra por ejemplo, ser usado para medir el flujo del agua de un ro o flujo de aire ai ser suspendido desde un avin.

    MEDIDORES DE REA VARIABLE

    Se distinguen de los anteriores en que en aquellos existe una variacin de presin, mientras el rea permanece constante. Aqu sin embargo, lo que permanece constante

  • es la presin diferencial, gracias a la suficiente variacin del rea. Uno de estos es el rotmetro el cual consta de un tubo cnico vertical que encierra un flotador; ste, dependiendo del caudal, toma una posicin en el tubo que aumenta o disminuye el tamao del rea y as mantiene la presin constante. Una escala graduada dentro del tubo, estar calibrada en unidades de presin y as tener una lectura directa de la misma.

    Los rotmetros se pueden fabricar con tubos de vidrio, metal y plstico. Estos dos ltimos se utilizan cuando el fluido es muy corrosivo o my oscuro para permitir la colocacin de una escala interna. En esos casos se usa un seguidor magntico relacionado a un imn colocado en el flotador interno y as transmitir mecnicamente la variacin del caudal a un indicador.

    MEDIDORES MAGNTICOS

    Utilizan la ley de induccin de Faraday, que establece que cuando una corriente pasa por un conductor y existe un campo magntico en direccin transversal al mismo, se crea un potencial elctrico proporcional a la corriente.

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

    Si bien es cierto, se requiere que el fluido tenga cierta conductividad mnima, la seal de salida no vara con el aumento de la conductividad, lo cual es una ventaja. En

  • aplicaciones en donde es necesario medir flujo de masa, se puede lograr esto midiendo la densidad del fluido y multiplicando las dos seales.

    Medidor magntico

    MEDIDOR A TURBINA

    Un instrumento de este tipo consiste de una rueda de turbina de precisin, montada en cojinetes de una porcin de tubera, y una bobina electromagntica colocada en la pared de la tubera, causa el giro de la turbina a una velocidad que vara directamente con el caudal del fluido de proceso. La interrupcin del campo magntico, con cada paso de cada hoja de la turbina produce un pulso elctrico. La frecuencia de estos pulsos determina la velocidad del fluido.

  • MEDIDOR DE VRTICE La forma de medicin es parecida a la d la turbina. Sin embargo, aqu un dispositivo fijo a la entrada de la tubera similar a una hlice, genera un movimiento rotatorio al fluido. Otro dispositivo, se encarga posteriormente de restablecer el caudal original al fluido. La oscilacin de ste en el punto de medicin, es proporcional al caudal. Estas oscilaciones producen variaciones de temperatura en un sensor colocado en el rea, variaciones que luego se convierten en pulsos de voltaje qu son amplificados, filtrados y transformados en ondas cuadradas para ser luego ingresados a un contador electrnico.

    Figura 13 Medidor vrtice

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

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

  • MEDIDORES DE FLUJO TOTAL

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

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

    Los medidores de flujo de masa en sus diversos tipos y los computadores de flujo, constituyen hoy en da una muestra del avance de la tecnologa en la medicin de esta variable. El medidor tipo Coriolis es un ejemplo de los primeros. Aqu el fluido fluyendo a travs de un tubo vibrante causa una deflexin en el tubo proporciona! al flujo de masa. Estos medidores tienen gran exactitud.

    Variables Analticas: como las medimos??

    Los procesos de produccin continua involucran la conversin te materias primas o la combinacin de varios ingredientes para lograr un producto final. El poder medir y controlar las propiedades fsicas y qumicas de los ingredientes de un producto es

  • esencial para lograr una calidad satisfactoria del mismo. Esto se logra con instrumentos llamados analizadores.

    Existen muchos de estos dispositivos, que en algunos casos requieren complicados sistemas de muestreo y sensores especiales; aqu discutiremos brevemente la medicin de slo algunas propiedades fsicas y qumicas.

    DENSIDAD

    La densidad de un material es su peso por unidad de volumen. La forma ms simple de medir densidad de lquidos es el hidrmetro, el cual es un instrumento flotante que desplaza un volumen de lquido igual a su propio peso. Usualmente se construye de vidrio y tiene un peso en uno de sus extremos para hacer que flote verticalmente. La posicin del hidrmetro en el lquido depende de la densidad de ste. En algunos casos se puede transmitir la medicin para una lectura remota, utilizando una varilla metlica como peso, la cual acta como brazo variable de un puente de inductancia. Tambin se mide densidad de fluidos, i pesando un volumen fijo de lquido con una balanza mecnica o una celda de carga. Otro mtodo, emplea un medidor tipo desplazador. Aqu, el elemento desplazador es encerrado en una cmara de un volumen fijo. Al cambio de la densidad, la fuerza sobre el desplazador vara, este a su vez mueve una barra de balance, que es el mecanismo actuador de un sistema de medicin neumtico o elctrico.

    Al emplear transmisores de presin diferencial para medicin de densidad, ya sea en tanques abiertos o cerrados, la presin hidrosttica sensada de un volumen fijo, es funcin de la densidad del mismo. El mtodo de burbujeo tambin se utiliza para medir densidad. En algunos casos, cuando el lquido no permite el uso de sensores debido a la corrosin, abrasin u otra limitacin, los sistemas radiactivos son los adecuados; se coloca una fuente radiactiva a un lado del reservorlo y un detector radiactivo en lado opuesto. La cantidad de radiacin absorbida por cualquier material vara directamente con su densidad. La medicin de densidad en gases es importante sobre todo en las industrias petroqumicas. Una forma de hacerlo es usando un densmetro con una sonda. El dispositivo contiene una membrana que oscila con el paso del fluido del proceso. Cualquier variacin en la densidad del gas origina que la frecuencia de oscilacin tambin lo haga en forma inversa. La seal es luego amplificada y estandariza para poder ser transmitida.

  • ACIDEZ Y ALCALINIDAD

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

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

    Se pueden encontrar analizadores continuos de pH en prcticamente cualquier industria que usa el agua en sus procesos. Las aplicaciones van desde el tratamiento de aguas industriales hasta el: control de pH en procesos de flotacin para la minera. Muchas aplicaciones de pH se pueden encontrar en la industria de pulpa y papel, en el campo de los metales y tratamiento de metales, el el refinamiento del petrleo, manufactura de caucho sinttico, plantas de generacin de energa, farmacuticas, produccin de fertilizantes qumicos y un gran espectro en la industria qumica.

    Fig. 14 Electrodo de pH

  • COMBUSTIN

    Para monitorear apropiadamente la eficiencia de combustin de un caldero, se debe analizar el flujo de gas antes de dejar la chimenea. Esto incluso con fines de controlar la polucin del aire. Los productos de una combustin completa son adems del calor, el dixido de carbn y el vapor de agua. Cuando hay sulfuro en el combustible, el dixido de sulfuro es tambin un producto de la combustin. Si se detecta monxido de carbn, entonces dicha combustin es incompleta.

    CROMATOGRAFA

    Es el nombre dado al mtodo de anlisis que permite una medida continua de la cantidad de cada constituyente en un vapor complejo o mezcla gaseosa. El mtodo envuelve la combinacin de una muestra del gas con un gas portador y pasar la combinacin de gases a travs de una columna, que es hecha de tubera metlica y llenada con un absorbente tal como aluminio, gel de slica o carbn activado. El efecto de movimiento de los gases a travs de la columna es la separacin de los constituyentes del gas muestra; cada constituyente viaja la diferente velocidad, debido a que cada uno de ellos es retenido por un periodo de tiempo diferente por la columna absorbente. El gas portador, que fuerza al de prueba hacia la columna, emerge de la misma continuamente, tal que los constituyentes realmente dejan la columna combinadas con el gas portador; los ms comunes gases portadores son el hielo, nitrgeno, aire o hidrgeno. Una muestra tpica de gas puede contener constituyentes como etano, propano, acetileno, butano, pentano, entre otros.

    ANLISIS DE SLIDOS EN MINERA

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

  • Fig. 15 Equipo de muestras con rayos X

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

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

    El anlisis o monitoreo en lnea del tamao de partcula (PSM) es tambin otra operacin importante en una planta concentradora de mineral para propsitos de control del proceso. Esta se realiza en la etapa de chancado y se emplea para tal fin un sensor ultrasnico. Hay dos pares de transductores ultrasnicos, cada uno con un transmisor y un receptor. En el transmisor, las seales elctricas de alta frecuencia son convertidas en energa ultrasnica que la cual viaja atravesando la pulpa entre el transmisor y el receptor. En el receptor, dicha energa es convertida nuevamente en seales de alta frecuencia y luego tratada para fines de ser utilizada como seal estndar de instrumentacin.

    La cantidad de energa detectada a travs de la pulpa llega en la forma de dos seales correspondientes al tamao de partcula y porcentaje de slidos. La comparacin electrnica de estas dos seales da una salida que vara solamente en funcin al tamao de partcula y es independiente de los cambios del porcentaje de partcula.

  • Medicin de otras variables importantes: Proximidad, Peso y Desplazamiento

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

    MEDICIN DE PESO

    Peso es una variable requerida para determinar el nivel de slidos en un silo, la transferencia de slidos a travs de una faja transportadora o la velocidad de descarga de un alimentador y lgicamente el peso neto del producto en si. Se define como la fuerza ejercida sobre el objeto por la gravedad. El dispositivo ms antiguo conocido para medir peso es la balaza mecnica de brazo. Otros dispositivos son la balanza pendular, la de balance con resorte y una combinacin de stos.

    Con el tiempo, han aparecido las denominadas celdas de carga hidrulicas, neumticas y elctricas, stas ltimas basadas principalmente en la aplicacin de galgas extensiomtricas. El tipo de aplicacin define la forma y tamao de las celdas de carga. Incluso actualmente se tienen sistemas inalmbricos para el envo de la informacin del peso medido. Para el caso de laboratorio igualmente, la tecnologa actual ha permitido el reemplazo de las balanzas mecnicas por electrnicas de gran precisin.

    Existen aplicaciones en las cuales se pueden hacer mediciones de peso en movimiento, como es el caso de camiones de carga. A diferencia de a mayora de los sistemas hechos para tal fin en que se requiere que le vehculo se detenga, esta tecnologa emplea varias microceldas a lo largo de la plataforma, las cuales envan informacin; electrnica a una computadora para realizar la medicin.

    Cuando se requiere un mtodo sin contacto, especialmente para el traslado de slidos por fajas transportadoras, se utiliza uno basado en la radiacin de rayos Gamma, similar al de medicin de nivel visto anteriormente. Aqu, se emiten los rayos desde una fuente hacia el material. En funcin a la cantidad de radiacin absorbida por el mismo y la velocidad de la faja,, se determina el flujo del material.

  • Figura 16 Balanza que utiliza mtodo radiactivo (cortesa de Therrtio Measuretech)

    DESPLAZAMIENTO

    A menudo se hace necesaria la medicin del desplazamiento lineal o posicin de un elemento mecnico. Los mtodos empleados difieren segn el tipo de aplicacin. Lo comn es que todos ellos entregan una seal elctrica proporcional al desplazamiento. Podemos mencionar dispositivos tales como los transformadores diferenciales de variacin lineal (LVDT), los transductores potenciomtricos o los encoders lineales.

    Un LVDT es un dispositivo electromecnico con un ncleo magntico movible rodeado de tres bobinados cilindricos. Produce una seal ac o de proporcional al movimiento de su ncleo y es lineal sobre un rango especificado. El bobinado primario es excitado con una corriente ac, normalmente en la regin de 1 a 10 kHz y entre 0,5 y 10 Vrms. Los otros dos bobinados, los secundarios, son enrollados en oposicin, tal que cuando el ncleo de ferrita est en su posicin central,! se induce el mismo voltaje en ambos. Dependiendo del desplazamiento del ncleo, la salida ac ser proporcional al mismo y la fase de la seal indica la direccin del movimiento con respecto a su posicin central.

    Figura 17 LVDT

  • La electrnica asociada a un LVDT, combina ambas informaciones para que el usuario sepa la posicin exacta del eje. Este transductor est limitado a relativamente cortos desplazamientos debido a su construccin inherente. Sin embargo, su resolucin es virtualmente ilimitada y ms bien est limitada por la electrnica externa.

    Desde el punto de vista de su aspecto fsico, un transductor potenciomtrico es similar a un LVDT. Sin embargo al Igual que un potencimetro, su medicin se basa en el cambio de resistencia medida entre el cursor y uno de sus extremos. Prcticamente entonces es una resistencia variable con el desplazamiento lineal.

    Los encoders comnmente estn asociados a la medicin de rotacin o movimiento circular (tal como los RVDT o transformadores diferenciales variables rotativos). Sin embargo existen encoders lineales, entre los cuales se pueden mencionar los pticos, aunque tambin se tienen los de tipo magntico, inductivo y capacitivo.

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

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

    Figura 18 Encoders lineales

  • PROXIMIDAD

    En muchos procesos industriales se requiere detectar la presencia de algn objeto o elemento mecnico con fines de control. La forma ms simple es mediante el uso de dispositivos mecnicos tales como interruptores de fin de carrera (limit switches). Sin embargo no siempre es posible emplear estos mtodos que involucran tener contacto con el elemento a detectar. En procesos que involucran por ejemplo el sensar el paso de un producto a travs de una faja trasportadora es necesario en la rhayora de los casos utilizar algn mtodo sin contacto. Es as como se apalrecen como solucin los denominados sensores o detectores de proximidad sin contacto. Entre estos tenemos los fotoelctricos, los inductivos y los capacitivos.

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

    Figura 19 Detector de haz transmitido

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

    Figura 20 Detector retro-reflexivo

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

    Figura 21 Detector reflexivo difuso

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

    Una alternativa interesante es el uso de cables de fibra ptica como detector. Esto es aplicable en situaciones en donde se hace difcil montar un sensor tradicional por razones de espacio. El dimetro de un cable de fibra ptica puede ser tan pequeo como 0,02 pulgadas. Est formado por un gran nmero de fibras de vidrio, protegidas contra golpes o excesivo flexionamiento. Desde que es luz y no corriente la que viaja por el cable, la seal no est afectada por interferencia electro magntica (EMI) vibracin. Pueden soportar altas temperaturas y en algunos casos, sustancias qumicas. Sin embargo sus desventajas son su limitada distancia de deteccin.

    Existen dos tipos de sensores de fibra ptica, los de vidrio que transmiten la luz eficientemente a travs del espectro visible y hacia el espectro infrarrojo y los de plstico que tienen una pobre eficiencia de transmisin sobre longitudes de onda infrarrojas. Consecuentemente, los primeros pueden ser usados tanto con fuentes de luz de ambos espectros mientras que los segundos solamente con sensores para el espectro visible.

  • Figura 23 Comparacin entre tipos de fibra ptica:

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

    La tcnica de alta frecuencia empleada en ellos, los hace prcticamente inmunes a la interferencia del ruido ambiental y en general en condiciones difciles. Emplean un transductor snico especial que permite la transmisin y el envo de ondas de sonido. El transductor ultrasnico emite un nmero de ondas de sonido que son reflejadas por un objeto de vuelta al transductor. Finalizada la emisin de stas, el sensor de ultrasonido cambiar su estado a la condicin de receptor. El tiempo transcurrido entre el envo y la recepcin es proporcional a la distancia del objeto al sensor.

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

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

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

    Un detector de proximidad inductiwo produce un campo de radio frecuencia invisible y oscilante. Cuando un objeto metlico ingresa a este campo, afecta a ste. Cada tipo y tamao de sensor tiene un rango especfico de sensado de modo tal que la deteccin tenga mucha exactitud y repetibilidad. Con su habilidad para detectar en un pequeo rango, estos sensores son muy tiles en aplicaciones de medicin precisa y de inspeccin.

    Entre las ventajas de estos dispositivos se encuentran su inmunidad a condiciones ambientales adversas, su velocidad de respuesta, deteccin de objeto metlicos a travs de barreras no metlicas, su tiempo de vida y su construccin con estado slido para entregar seales a equipos electrnicos. Sus desventajas incluyen su rango d sensado limitado (mximo 4"), detectan solamente objetos metlicos y puede ser afectados por limaduras metlicas acumuladas en la cara del sensor.

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

  • Entre sus ventajas se mencionan su capacidad para detectar tanto objetos metlicos como no metlicos y en un rango superior' que los inductivos, tienen rpida respuesta, pueden detectar lquidos a travs de barreras no metlicas (vidrio, plstico) y larga vida y salida detestado slido. Sus desventajas son que se afectan por los cambios de temperatura y humedad y no son tan precisos como los inductivos.

    Empecemos con los elementos finales de control : Vlvulas de Control

    El elemento final de control es aquel que finalmente modifica alguna caracterstica del proceso segn lo ordenado por el controlador. Dependiendo del tipo de proceso y de los objetivos, se tienen una variedad de estos elementos. Desde dispositivos que reciben seales de control del tipo discreto hasta otros que actan regulando la variable de inters dentro de cierto rango como por ejemplo el flujo de un fluido a travs de una vlvula de control, la velocidad de un motor por medio de un variador de velocidad o la temperatura de un horno elctrico utilizando una resistencia calefactora.

    Empecemos... Una vlvula de control es el elemento final de control ms comnmente usado en la Industria. Este dispositivo vara el flujo de material o energa a un proceso, ajustando una abertura a travs de la cual fluye el material, Es por lo tanto un orificio variable en la lnea. Segn el teorema de Bernoulli el flujo a travs de un orificio es

    Q = CA (P)1/2

    En donde:

    Q es la cantidad de flujo

    C es una constante para las condiciones del flujo

    A es el rea de apertura de la vlvula

    P es la cada de presin a travs de la vlvula

  • Segn la frmula anterior, el flujo a travs de la vlvula es proporcional al rea de apertura y la

    raz cuadrada de la cada de presin a travs de la vlvula. Ambos factores varan; el rea con

    el porcentaje de carrera (posicin) de la vlvula y la cada de presin est referida a las

    condiciones fuera de la vlvula y establecida por el proceso (distribucin y tuberas).

    En condiciones reales de trabajo, una cada de presin constante es raramente encontrada.

    Por lo tanto, el usuario de la vlvula o el diseador del sistema debe considerar las

    caractersticas de la vlvula y del proceso de modo tal de combinar ambas para lograr el

    rendimiento deseado.

    En un lazo cerrado de control, la vlvula es el nico elemento resistivo que puede ser

    controlado. Las otras resistencias, varan de debido a cambios de flujo en el

    sistema o debido al revestimiento de las tuberas. Estas variaciones son indeseables y

    deben ser compensadas por la vlvula de control.

    Cuales son las partes de una VLVULA DE CONTROL?

    Debido a que las vlvulas ms usadas son las neumticas, vamos a referirnos a estas para

    detallar las partes de una vlvula de control. En general, una V.C.A. consta de dos partes

    principales: La vlvula propiamente dicha y el actuador. La vlvula es la parte que a travs de la

    cual pasa y se constata el fluido y el actuador es el elemento encargado de efectuar la

    operacin de control.

    Figura 1 - Partes de una Vlvula de Control

  • La VLVULA

    Consta de las siguientes partes:

    Cuerpo de vlvula

    Elementos internos, como el asiento del obturador, el obturador, el vstago del obturador, la gua del mismo, etc. que estn en contacto con el medio a controlar. Estopero, a travs del cual, se desplaza el vstago del obturador y que contiene los accesorios de sellado para evitar fugas de fluido.Generalmente, contiene los medios de montaje del actuador.

    TIPOS DE CUERPO DE VLVULA

    Existe una gran variedad de vlvulas para las ms diversas aplicaciones. Una clasificacin de stas es la siguiente:

    Grafico Tipos Cuerpo Valvula

    Las vlvulas de globo de doble asiento son muy populares debido a su diseo equilibrado (las fuerzas que tienden a cerrar la vlvula son slo ligeramente diferentes a las que tienen a abrirla). Tambin estn disponibles con obturadores reversibles.

    Las vlvulas de globo de simple asiento normalmente no son equilibradas (existen diseos que s lo son). Se usan mayoritariamente en tamaos pequeos donde se requiere un cierre el ms estanco posible. Su uso en pequeos tamaos se debe a: su

  • diseo sencillo y que an siendo no equilibradas no requieren grandes tamaos de actuadores.

    Figura 2 Vlvulas de globo

    Mencionemos las caractersticas de las ms importantes:

    Las vlvulas mariposa son muy usadas en servicios de altos caudales y pequeas prdidas de carga. Tienen altos porcentajes de recuperacin de presin. Tienen bastantes fugas salvo que se disee con asiento blando. Requieren ms potencia de actuador y no presentan buenas caractersticas de control (especialmente en la zona de cercana al cierre y en la zona cercana a la apertura total) salvo en diseos especiales.

    Figura 3 Vlvulas mariposa

    Las vlvulas de bola estn siendo muy usadas debido a su alto porcentaje de recuperacin de presin. Se presentan en diseo de bola completa o segmentada. En este ltimo caso son muy tiles en fluidos viscosos con slidos en suspensin. Presentan altas capacidades de CV. En muchos casos son idneas para aplicaciones de control on-off.

    Las vlvulas de membrana se usan principalmente en servicios viscosos y corrosivos.

  • El sello que constituye la membrana evita el contacto del fluido con los rganos internos. Generalmente tienen malas caractersticas de control y las membranas suelen tener corta duracin. Existen otros numerosos tipos de cuerpos (vlvula de tres vas, cuerpo partido, angular, etc.) que presentan; asimismo ventajas e inconvenientes, las cuales adecuadamente sopesadas pueden posibilitar el uso de los mismos. La vlvula de jaula es otro tipo de vlvula de globo que ha tenido mucho auge en los ltimos aos. Su nombre se debe a que el obturador es guiado por una especie de "jaula" inmersa en el cuerpo de la vlvula. Se usa en muchas aplicaciones sustituyendo a las de doble asiento con alguna ventaja adicional tal como mayor capacidad de Cv, bajo ruido, buena estabilidad, fcil cambio de los rganos internos (trim), uso de trim de tamao reducido en el mismo obturador y disminucin de problemas con la erosin.

    Ffigura 4 Vlvula de jaula

    EL OBTURADOR Es el que principalmente define el comportamiento o caracterstica de la vlvula como ya antes se ha mencionado. En general se tienen las siguientes caractersticas:

    Apertura rpida: permite un cambio rpido del caudal para un pequeo recorrido del vastago. Cerca del 90% de la capacidad de la vlvula se obtiene al 30% de apertura de la vlvula y se logra una relacin lineal hasta ese punto. Se utiliza principalmente para servicio on-off o en vlvulas auto-reguladas. Incluso son tiles en sistemas con cadas constantes de presin, en donde se requiere una caracterstica lineal.

  • Lineal: produce un flujo directamente proporcional a la apertura de vlvula. Una variacin del 50% del vastago origina una igual variacin en el flujo, etc. Esta relacin produce una pendiente constante, de modo tal que cada cambio incremental de la posicin del tapn produce un cambio similar en el flujo de vlvula, si la cada de presin es constante. Se usan generalmente en control de nivel de lquidos y en aplicaciones en donde se requiere una ganancia constante.

    Igual Porcentaje: una caracterstica de igual porcentaje es aquella en la que a iguales incrementos de recorrido del vastago, se produce un porcentaje igual en el flujo existente. Por ejemplo, cuando el flujo es pequeo, el cambio en el mismo (para un; cambio incremental) es pequeo; cuando el flujo es grande, el cambio es siempre proporcional a la cantidad que fluye antes del cambio. Se usan en aplicaciones de control de presin en donde; un pequeo porcentaje de la cada del sistema permite el control de la vlvula.

    Figura 5 Curvas caractersticas de vlvulas de control

    Parablica modificada: Una curva de este tipo cae entre la lineal y la de igual porcentaje. Se usa en aplicacionesien donde la mayor parte de la cada de presin del sistema se da en la vlvula de control.

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

  • ACCION DE LA VLVULA La accin del cuerpo de vlvula o vlvula propiamente dicha est relacionada al efecto del desplazamiento del vastago de la vlvula sobre la apertura de la misma, es decir, si el empujar el vastago de la vlvula, se origina un efecto de empujar para i cerrar (push-to cSose) o de empujar para cubrir (push toopen). El cierre se logra fsicamente con el tapn u obturador.

    Figura 6 Acciones de cuerpo de vlvula

    MATERALES Los materiales de construccin, es decir, los materiales de los rganos internos as como los del cuerpo de la misma, suelen venir exigidos por el tipo de proceso y las condiciones del mismo. El empleo de aceros inoxidables es comn en aplicaciones qumicas, sin embargo debido a la gran variedad de las mismas se utilizan algunos materiales especiales. Normalmente, la mejor seleccin de los materiales para vlvulas procede de la persona que ms puede saber sobre el fluido de proceso. En este sentido, los fabricantes de las vlvulas suelen fiarse de la opinin del usuario para la seleccin de materiales y disponen de catlogos detallados que ayudan en este tema.

    Un aspecto interesante en la seleccin de los rganos internos de las vlvulas de control es el tema de la erosin. La erosin es producida por las elevadas cadas de presin, que ocasionan velocidades del fluido, a travs del orificio de paso, considerablemente altas y, por tanto, de gran efecto erosivo. Los efectos de la erosin se multiplican en los casos en que existen en el fluido partculas slidas en suspensin. La eleccin se ha de hacer considerando a la vez las propiedades anti-erosivas y la resistencia a la corrosin por el fluido que vaya a manejar la vlvula.

  • Actuadores en valvulas de control

    Las vlvulas de control pueden ser operadas neumticamente, elctricamente, hidrulicamente o por una combinacin entre estas La primera es la mayormente usada.

    Las fuerzas que los actuadores deben superar son causadas por la cada de presin a travs de la vlvula, la friccin entre el fluido y las partes mviles, el peso de estas partes y el desbalance del vastago que se hace significativo para grandes cadas de presin. Mencionaremos las caractersticas bsicas de los actuadores usados para modulacin del servicio y por lo tanto se excluyen las vlvulas solenoides y otros operadores mecnicos y elctricos usados en servicio on-off.

    Empecemos...

    NEUMTICOS

    Pueden clasificarse en dos tipos bsicos; el de resorte y diafragma y el de cilindro o pistn (sin resorte). El primero de ellos es el ms usado y puede ser de "aire para bajar" (air-to-lower) o de "aire para subir" (air-to-raise). Aqu, interesa por cual lado ingresa la seal neumtica proveniente del controlador. Si es por la parte superior del diagrama, obliga a que la deformacin de ste, origine un desplazamiento del vastago hacia abajo, en cambio si el aire ingresa por debajo del diagrama, el movimiento ser hacia arriba.

    Si la vlvula es de accin empujar-para-cerrar, el descenso del vastago debido a la accin de la seal neumtica har que la misma se vaya cerrando permitiendo que se controle el flujo de fluido en forma continua. Si la vlvula es de accin empujar-para-abrir, el descenso del vastago har que la misma se: vaya abriendo conforme se aplique la seal neumtica.

    Por lo tanto, de la combinacin del actuador y la vlvula depender la accin de Sa wlvuia de control. Si la seal neumtica origina al final el cierre de la vlvula (air-to-close) se hablar de accin directa y si por el contrario, la vlvula se abre (air-to-open), se tendr una accin inmersa. La variacin de la accin de la vlvula, se puede lograr fcilmente con un actuador reversible, sin embargo esto puede resultar costoso. Afortunadamente tambin se

  • puede dar con un actuador no reversible, no necesariamente cambiando la vlvula, sino con la ayuda de un posicionador de vlvula como se ver ms adelante.

    Figura 7 Puentes de un actuador neumticos

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

    Figura 8 Acciones del actuador

    Los actuadores sin resorte, del tipo de cilindro o pistn, se emplean cuando se requieren una gran potencia o una accin ms rpida. Lo primero resulta de la habilidad para manejar presiones de alimentacin ms altas.

  • ELCTRICOS Se usan generalmente en reas en donde no hay suministro de aire de alimentacin o cuando se quiere prescindir de los sistemas neumticos. Se clasifican segn el tipo de energa utilizada para impulsarlos y por el tipo de movimiento requerido. Utilizan motores elctricos monofsicos trifsicos y engranajes, tanto en aquellos denominados de multi-vueltas como en los de un cuarto de vuelta. La mayora de ellos tiene un mecanismo de desembrague del volante para operacin manual en caso de falla de energa elctrica.

    Los actuadores modernos disponen de componentes especiales tales como rels de montoreo, proteccin contra vlvula atascada, termostato, etc. La tecnologa actual permite que puedan ser controlados remotamente a travs de una conexin a dos hilos. De este modo se pueden conectar a una red muchos de ellos comunicados mediante un protocolo industrial.

    Figura 10 Actuador elctrico

    ELECTROHIDRAULICOS

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

  • Figura 11 Actuador electrohidrulico (cortesa de Samson)

    Los posicionadores de valvulas: conceptos claros y definitivos

    Un posicionador de vlvula es bsicamente un dispositivo que sensa tanto la seal de un instrumento (controlador) como la posicin del vastago de una vlvula. Su funcin principal es la de asegurar que la posicin de este vastago corresponda a la seal de salida del controlador o regulador.

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

    Es usado en vlvulas que operan en rango partido,para invertir la accin de una vlvula de control, para superar las fuerzas de friccin dentro de una vlvula y en aplicaciones que requieren un control rpido y preciso. Normalmente, se monta sobre la vlvula de control.

    Los posicionadores se pueden dividir neumticos y electroneumticos. Con respecto a los primeros, a su vez se subdividen en aquellos accionados por un sistema de

  • balance de movimientos. Consiste bsicamente de un fuelle que recibe la seal del controlador, una barra fija al fuelle por un lado y un rel neumtico cuya tobera forma un sistema tobena-actuador con la barra.

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

    Los posicionadores electroneumaticos surgieron por el uso cada vez mayor de sistemas de control electrnicos que actan sobre vlvulas de control neumticas. Bsicamente, consisten en una combinacin de un conversor de corriente a presin (I/P) y un posicionador. Es un dispositivo de balance de fuerzas y se puede utilizar con accin directa o accin inversa.

    Figura 12 vlvulas con posicionadores

    Ante la aparicin de los controladores electrnicos jy la necesidad de controlar vlvulas neumticas, aparecieron los denominados conversores de corriente a presin (1/ P). Estos convierten las seales estndar de 0/ 4 -20 mA en seales neumticas para actuar sobre la vlvula de control o el posicionador respectivo. Poco tiempo despus son fabricados posicionadores con el conversor incorporado logrndose as los denominados posicionadores electroneumaticos.

    El avance posterior en comunicacin digital de instrumentos ha obligado a muchos fabricantes a desarrollar posicionadores que se puedan comunicar con controladores de salida digital. Es as como tenemos ahora posicionadores digitales (tambin llamados "inteligentes") para diversos protocolos. Esto evidentemente permite integrar

  • a las vlvulas de control en una red industrial con el beneficio de una mayor cantidad de informacin sobre las mismas y el proceso que controlan.

    Figura 13 Posicionador digital y configurador

    Como dimensionar una vlvula de control?

    Escoger una vlvula de control para una aplicacin en particular sola ser por lo general algo sencillo. Usualmente se consideraba solamente un tipo de vlvula (de desplazamiento del vstago) para cualquier aplicacin. Cada fabricante ofreca un producto adecuado para una tarea y la seleccin dependa de aspectos obvios tales como costo, entrega, relaciones con el proveedor y preferencias del usuario.

    Hoy en da las consideraciones se han complicado especialmente para los ingenieros o tcnicos con limitada experiencia o para aquellos que no se han mantenido actualizados acerca del desarrollo d las vlvulas de control.

    Para muchas aplicaciones, se dispone de una diversidad de vlvulas de bola, de desplazamiento de vastago y de mariposa. Algunas son mencionadas como "universales" para casi cualquier tamao y servicio, mientras que otras son consideradas como de solucin ptima para necesidades especiales. Como en todas las decisiones, la seleccin de una vlvula involucra una serie de variables. Una lista de las mismas debera incluir:

    Rango de presin de trabajo y presiones lmites del cuerpo Tamao y capacidad de flujo Caractersticas de flujo y rangeabilidad Lmites de temperatura Factores ambientales como corrosin y abrasin Materiales del cuerpo

  • Cada de presin en la vlvula Tipo de conexiones mecnicas Costo del ciclo de vida Tipo de actuador Accesorios requeridos

    De todos estos aspectos nos vamos a referir a1 dos en particular para propsitos de definicin del manejo de fluido por parte de la vlvula, su capacidad y su rangeabilidad. Luego veremos un ejemplo de dimensionamiento de vlvulas que involucra el clculo del Cv de la misma.

    Figura representativa del Dimensionamiento de Vlvulas (Cortesa Chemical & Process Technology)

    CAPACIDAD DE UNA VLVULA Los fabricantes han adoptado un trmino para indicar las capacidades de variacin del flujo en las vlvulas de control. Para este propsito se define el coeficiente Cv:

    Cv = Q / [(P/G)^1/2] Donde: Q es el flujo volumtrico a travs de la vlvula (caudal) en galones por minutos P es la cada de presin a travs de la vlvula en psi (incluyendo las prdidas en la entrada y la salida) G es la gravedad especfica del fluido.

    Dicho de otro modo, es el nmero de galones por minuto de agua a temperatura ambiente que pasar a travs de una restriccin con una cada de presin de 1 ps; por ejemplo, una vlvula de control en la que al estar completamente abierta circulan 25 gpm de agua con una cada de presin de 1 psi, tiene un coeficiente mximo de 25. El flujo se obtiene similarmente a varios incrementos de apertura de vlvula y por lo

  • tanto se halla as el Cv para casa incremento. Se logra as la "curva caracterstica" de la vlvula.

    RANGEABILIDAD DE UNA VLVULA

    Se define como la relacin del flujo mximo y el mnimo que puede manejar una vlvula. La rangeabilidad de las vlvulas varia dependiendo del tipo de cuerpo de vlvula usado. Por ejemplo, la rangeabilidad de las vlvulas de globo vara entre 30:1 a 50:1, por lo general. A lo anterior se le denomina rangeabilidad inherente. Tan importante como esta ltima, es la rangeabilidad instalada u operativa. Esta se define como la relacin entre rangeabilidad y cada de presin:

    Ro = (q1 / q2)[(P1/P2)^1/2]

    En donde:

    q1 es el flujo inicial q2es el flujo final P1 es la cada de presin a travs de la vlvula P2 es la cada de presin final

    CORRECCIN DE VISCOSIDAD

    Lo anterior es vlido para fluidos no viscosos. En los casos infrecuentes de fluidos con alta viscosidad, se debe hacer un ajuste al clculo de la cada de presin a travs de la vlvula (AP). El procedimiento es el siguiente:

    Se calcula el nmero de Reynolds (R)

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

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

    Centistokes Factor de

    correccin 2 1,14 5 1,40 10 1,70 30 2,06 50 2,68 70 3,06

    100 3,50 Tabla 1 Factor de correccin por Viscosidad

    Ejemplo paso a paso.. Como Dimensionar una vlvula de control

    Asumamos que tenemos una vlvula de control regulando el flujo de salida de un fluido en un tanque en donde se quiere controlar el nivel a 25 pies. El flujo de entrada vara de 0 a 125 galones por minuto:

    Figura 14 Dimensionamiento de vlvula para tanque simple

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

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

  • Aplicando la frmula del apartado del articulo anterior( Cv de una vlvula) debemos conocer G y P.

    Para el ejemplo: G es la gravedad especfica del agua, es decir 1.0 P es la cada de presin; debido a que el tanque descarga en la atmsfera, ser la que origina el lquido a la entrada de la vlvula, es decir 10.8 psi

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

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

    Figura 15 - Cv para vlvulas de globo isoporcentuals

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

  • Si ahora en vez de descargar la vlvula a la atmsfera, asumamos que lo hace a un segundo tanque de 15 pies como observamos a continuacin:

    Figura 16 Control en dos tanques

    En este caso, siendo los flujos de entrada y salida iguales que para el caso anterior, la cada de presin a travs de la vlvula ser:

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

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

    Nuevamente buscamos la vlvula ms pequea capaz de entregar un Cv de 57,7. En la figura 15 encontramos que sta es un vlvula de 2 pulgadas y media. Ntese que la capacidad de la vlvula depende tanto del tamao como de la cada de presin en el sistema.

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

  • VLVULAS SOLENOIDES Y VARIADORES DE VELOCIDAD... OTROS ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

    Adicionalmente a las vlvulas de control descritas anteriormente, vamos a referirnos a algunos otros dispositivos que comandados por el controlador, sirven para finalmente regular un proceso segn los valores deseados. Entre stos mencionaremos brevemente las vlvulas solenoide y los variadores de velocidad de motores.

    Las vlvulas solenoide

    Las vlvulas solenoide son a menudo usadas en una variedad de aplicaciones on-off o de interrupcin con vlvulas de control. Adicionalmente a las posibles aplicaciones de control, pueden utilizarse en acciones de seguridad o para interconectar una lnea de instrumentos con otra. Debido a que nos interesa aqu su funcin en control automtico de fluidos, solamente nos vamos a referir a este aspecto en particular.

    Si bien es cierto que la aplicacin ms comn est referida a control on-off, es importante sealar que en un sistema regulatorio, stas vlvulas se pueden utilizar en un control PID siempre y cuando las salidas del controlador fuesen discretas (del tipo PWM) y el proceso lo permita (caractersticas del fluido, rango de flujo, tamao de tubera, etc.). Tpicamente estas vlvulas estn disponibles para tuberas entrel/4 de pulgada y 2 pulgadas de dimetro, sin embargo las hay ms grandes.

    Estas vlvulas son unidades de control que cuando estn elctricamente energizadas o des-energizadas, permiten o no el paso de fluido. Esto depende si son normalmente abiertas o normalmente cerradas. El actuador toma la forma de un electroimn. Cuando ste se energza, aparece un campo magntico que atrae un vastago o armadura en contra de la accin de un resorte. Cuando se des-energiza, aqul elemento regresa a su posicin original o de reposo por accin del resorte.

    De acuerdo al modo de actuacin se hace una distincin entre vlvulas accionadas directamente, vlvulas pilotadas internamente o pilotadas externamente. Otra caracterstica diferenciadora es el nmero de puertos el nmero de vas.

    En una vlvula solenoide es accionada directamente, el sello del asiento est adosado al ncleo del solenoide. En la condicin de des-energizada, se cierra un orificio del asiento, el cual se abre cuando la vlvula es energizada. Se pueden encontrar para este tipo vlvulas de dos vas y de tres vas. Las primeras tienen un puerto de entrada y otro de salida y las segundas tienen en condiciones de reposo una entrada y dos

  • salidas, una de ellas abierta y la otra cerrada, situacin que se invierte al ser energizada.

    1. Cuerpo de la Vlvula, 4. Cabeza Solenoide 7. Piston 2. Entrada , 5. Bobina , 8. Resorte

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

    Figura 17 Vista de corte y partes de una vlvula solenoide

    Las vlvulas pilotadas internamente son empleadas para manejar presiones ms altas que las que pueden manejar las vlvulas anteriormente descritas. En este caso las vlvulas estn dotadas internamente de una vlvula de 2 vas o de 3 vas. En aplicaciones particulares tales como en neumtica o hidrulica, especialmente para el manejo de cilindros con doble actuacin, se pueden utilizar vlvulas de 4 vas. En las vlvulas externamente pilotadas se usa un medio independiente para accionarlas.

    Algunos de los aspectos a considerar en la seleccin de una vlvula solenoide son el rango presiones en PSI con las; que pueden trabajar; el flujo que va a circular por ellas, el cual depende d a naturaleza del diseo y el tipo de fluido; el tipo de bobina que se va a utilizar (pueden ser de ac o de) y su tamao y el tiempo de respuesta de las mismas, el cual es definido como el tiempo entre la aplicacin de una seal de control y la finalizacin de la operacin mecnica respectiva de cierre o apertura, segn sea el caso.

    En este ltimo aspecto, los pequeos volmenes y las fuerzas magnticas involucradas relativamente altas, permiten tiempos de respuesta rpidos. Para aplicaciones especales se pueden encontrar vlvulas con varios tiempos de respuesta.

  • VARIADORES DE VELOCIDAD

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

    INSTRUMENTOS DIGITALES DE CAMPO, MEDIOS Y MODOS DE TRANSMISION Y COMUNICACIN - PARTE 1

    Actualmente es cada vez mayor el desarrollo de equipos de instrumentacin y control que se comunican a travs de seales digitales en remplazo de las analgicas.

    Es importante entonces conocer algunas caractersticas acerca de la transmisin de las mismas, de los medios fsicos a travs de los cuales stas son enviadas y de las ventajas de la instrumentacin digital de campo sobre la convencional. Vamos a considerar en esta parte lo correspondiente a transmisores y vlvulas con tecnologa digital.

    Diferentes Instrumentos Digitales hoy en da

    Las famosas seales analgicas y digitales

    A pesar que la seal de 4-20 mA, como ejemplo de seal estndar de transmisin, es todava empleada en la mayora de los casos, en aos recientes se ha visto una

  • gradual transformacin de instrumentacin analgica a digital. Hoy, se est dando el cambio de seales analgicas a digitales.

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

    Una seal digital a diferencia, no cambia continuamente, sino que es transmitida en paquetes discretos. No es tampoco inmediatamente interpretada, sino que debe ser primero decodificada por el receptor. El mtodo de transmisin tambin es otro: como pulsos elctricos que varan entre dos niveles distintos de voltaje. En lo que respecta a la ingeniera de procesos, no existe limitacin en cuanto al contenido de la seal y cualquier informacin adicional, desde un transmisor por ejemplo, puede ser transmitida con la variable medida.

    Una de las ventajas de la transmisin digital es la eliminacin de las innecesarias conversiones de analgica a digital. En este caso, la seal analgica es muestreada. A mayor velocidad de muestreo con una resolucin ms fina, mejora la conversin. Los costos sin embargo tambin se incrementan, de modo tal que debe existir un compromiso entre costo y precisin.

    Un repaso rpido de conceptos sobre Comunicacin Digital

    En la comunicacin analgica, la informacin es transmitida a travs de la amplitud de la seal. En la comunicacin digital, la seal est compuesta por una serie de pulsos de voltaje y es enviada del transmisor al receptor a travs de un medio de transmisin. Este puede ser un cable, fibra ptica o radio. La informacin es usualmente contenida en los cambios entre dos niveles de voltaje que pueden tomar los valores lgicos "1" y "0". Los niveles reales de voltaje y las tolerancias dependen del estndar de nterfaz empleado. Los voltajes que caen fuera de las bandas no son considerados como datos.

    Las unidades de datos individuales, representadas por los valores 0 y 1 son conocidos como bits. Estos valores son por supuesto la base del sistema de numeracin binario.

  • El sistema binario es usado para todos los clculos dentro del microprocesador que aparece como el corazn de un instrumento digital de procesos. El conjunto de 8 bits es denominado un byte el cual representa el bloque de construccin de todos los valores alfanumricos empleados por ejemplo por un operador para comunicarse con un microprocesador.

    Desde que la comunicacin digital involucra por lo menos dos equipos, ambos deben ser capaces de interpretar la seal. Es por ello que usan cdigos de control en los cuales una secuencia especfica de bits, indica a uno de los equipos lo que se est transmitiendo y cmo. Los cdigos de datos son empleados para la informacin misma. Las mismas reglas se aplican sin importar si estamos hablando a un microprocesador o si varios dispositivos en una red se estn comunicando entre ellos. El cdigo ASCII (American Standard Code for Information Interchange) es probablemente el ejemplo ms conocido de un cdigo de control y de datos.

    Que Medios de Transmisin tenemos? A mayor informacin transmitida y a mayor velocidad de transmisin, mayor es la demanda de mejores caractersticas para el medio de transmisin. Esto es particularmente cierto para las redes industriales de comunicacin, en donde las condiciones distan mucho de ser ideales por ejemplo debido a las posibles interferencias de mquinas elctricas. Por esta razn, el mejor medio de transmisin depende en mucho de la aplicacin.

    Los Cables Trenzados (Twisted Cable)

    Es la solucin ms econmica para la transmisin de datos; permite velocidades de transmisin de hasta 375 KBit/s sobre lneas de hasta 300 m de largo. En muchos casos, se usan pares trenzados y apantallados que proveen mayor inmunidad a la interferencia. En este caso las distancias pueden llegar a los 1200 m. Se pueden tambin emplear cables multifilares, siempre que no se genere interferencia entre stos.

    Segn el estndar FIP, dos pares de cables con doble blindaje, permiten una velocidad de transmisin de 1 Mbit/s sobre distancias de hasta 2000 m.

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

  • Los Cables Coaxiales

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

    Los Cables de Fibra ptica

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

    La mayora de los cables de fibra ptica permiten velocidades de transmisin en el rango de Gigabits/s. Debido al mtodo ms complicado de conexin, este medio es el ms caro. Por otro lado, desde que es relativamente nuevo, y an en constante desarrollo, ser en el futuro el que reemplace a los cables de cobre para transmisin de datos.

    Figura 1 - Medios fsicos de transmisin

  • INSTRUMENTOS DIGITALES DE CAMPO, MEDIOS Y MODOS DE TRANSMISION Y COMUNICACIN - PARTE 2

    MODOS DE TRANSMISIN

    Cuando se enva una seal desde un dispositivo a otro, debe pasar primero a travs de un interfaz al medio de transmisin. Hay dos formas bsicas de realizar esto: en forma paralela o en forma serial.

    - TRANSMISIN PARALELA

    Es el envo de datos de byte en byte sobre un mnimo de 8 lneas paralelas a travs de una interfaz paralela. La interfaz paralela ms conocida es la Centronics para impresoras. El bus IEC-6257/IEEE-488 que es encontrada a menudo en sistemas de medicin de laboratorio, es otro ejemplo.

    - TRANSMISIN EN SERIE

    Es el envo de datos bit a bit sobre una interfaz serial. Requiere menos cables que la transmisin en paralelo, pero el tiempo de transmisin se incrementa corno funcin del tamao de cadena de bits a ser transmitida. Ejemplo de esto son las interfaces RS-232 y RS-485.

    - INTERFAZ

    Tiene la tarea de colocar la seal digital generada por el dispositivo en red en el medio de transmisin. La cadena de bits es mayormente transmitida como corriente alterna modulada en amplitud o modulada en frecuencia y fase. Luego de su recepcin, la seal es demodulada por la electrnica de la interfaz y se recupera la informacin original. Los mdulos electrnicos que realizan la modulacin y demodulacin, son parte de toda interfaz y son construidos bajo un estndar particular. A travs de la interfaz entonces, que es el enlace fsico de la transmisin de datos, es que se enva la informacin, cuyas caractersticas y estructura se dan bajo algn protocolo en particular, tema a ser tratado ms adelante.

    - TEMPORIZACION

    Una interfaz puede transmitir en uno o dos modos, asincrnicamente, que significa que la transmisin bsicamente ocurrir en cualquier momento o sincrnicamente, que

  • significa que la transmisin depende de un sistema comn de reloj. La transmisin asincrona es particularmente aplicable para mensajes cortos y es encontrada a menudo en sistemas de buses de campo (fieldbus). Cada byte a ser transmitido e empaquetado entre un bit de inicio y otro de parada. El bit de inicio le dice al receptor que lo que sigue es un byte de datos; el bit de parada le dice la transmisin est completada.

    Figura 2 Modo asincrono

    Naturalmente el contenido del mensaje debe ser mayor a un byte, de modo tal que se requiere un acuerdo en la secuencia de los sets de datos y tipos de informacin. La transmisin asincrona requiere relativamente un pequeo esfuerzo tcnico y puede ser empleada en prcticamente todas las situaciones.

    En la transmisin sncrona, el reloj del sistema tanto del transmisor como del receptor deben estar en fase. Esto requiere que se enve el llamado prembulo antes del inicio de la transmisin. Esto usualmente comprende un burst de la seal portadora para sincronizar al receptor, patrones de bits para sincronizar el temporizado de los bits y luego patrones de control para sincronizar los mensajes.

    Durante la transmisin, el carcter de sincronizacin debe ser repetido a intervalos regulares. La transmisin sncrona entonces, posee ms problemas tcnicos que la asincrona. Su ventaja sin embargo radica en la posibilidad de transmitir bloques largos de datos eficientemente es decir, con una alta proporcin de datos tiles.

    Figura 3 Modo sncrono

  • MODOS DE COMUNICACIN

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

    Comunicacin simplex, por la cual la informacin fluye en una sola direccin. La confirmacin de recepcin del mensaje no es posible en este modo. Ejemplo de este modo son la radio y la televisin.

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

    Comunicacin full-duplex, en donde se puede transmitir y recibir simultneamente. Un ejemplo es la comunicacin telefnica entre dos personas. Para la comunicacin entre dos mquinas sin embargo, se requiere lneas separadas de transmisin y recepcin, de lo contrario la informacin no podra ser decodificada.

    Figura 4 Modos de comunicacin dplex

    VELOCIDAD DE TRANSMISIN

    La ltima caracterstica de la comunicacin digital es la velocidad de transmisin. Esta indica cuantos bits por segundo pueden ser transmitidos entre un dispositivo y otro. Todos los dispositivos de una red deben operar a la misma velocidad de transmisin. La mxima velocidad es limitada por el tipo de nterfaz y por el medio de transmisin usados. Esta tambin es una funcin de la longitud de los cables. Esto es debido a que la probabilidad de que la interferencia electromagntica crece con el incremento de la distancia, pero decrece con a velocidad de transmisin.

  • Dependiendo del estndar, velocidades de transmisin entre 1200 Bits/s a 37.5 Kbits/s se obtienen en forma relativamente fcil. Para velocidades de 1 Mbit/s o ms se requieren cables especiales de cobre o de fibra ptica.

    INTERFACES DE COMUNICACIN EN INSTRUMENTACIN... TIPOS Y DEFINICIONES

    Una primera consideracin en el campo es que las lneas de transmisin de datos son baratas y confiables. Esto es reflejo no solo del tipo de cable empleado sino tambin de la interfaz adoptada. Por lo tanto, a pesar de las altas velocidades de transmisin que se pueden obtener con una interfaz paralela como la IEC-625/IEEE-488, en donde 16 lneas se requieren para enviar 1 Byte de informacin, es muy costosa para instalar a este nivel.

    Por esta razn, la interfaz estndar para el campo es serial. Los bajos costos de instalacin (pocos cables y conectores), lneas ms largas y transmisin ms segura, ms que compensan las velocidades de transmisin menores. A continuacin se describen las interfaces seriales encontradas en aplicaciones de campo.

    - LAZO DE CORRIENTE DE 20 mA

    Se origina de la telegrafa en donde requera comunicacin confiable sobre largas distancias. Trabaja con una corriente de 20 mA que es conmutada entre encendida y apagada segn la cadencia de transmisin. Por lo tanto, cada terminal tiene dos lazos, uno para transmisin y otro para recepcin. El lazo de corriente de 20 mA es utilizado como alternativa de la interfaz RS-232C. Su mayor ventaja est en su insensibilidad a la interferencia, de modo tal que se usa cuando se requiere cubrir grandes distancias o cuando se encuentran fuertes campos elctricos en la vecindad de la lnea de transmisin.

  • - INTERFAZ RS-232C

    Es usada para interconectar dos dispositivos va un cable multifilar, usualmente una computadora con un dispositivo perifrico o un mdem. El estndar cumple con los requerimientos elctricos y fsicos para la transmisin serial de bits. Define las seales de reconocimiento para el control de equipo estndar para lneas telefnicas y mdems. Elctricamente el sistema est basado en pulsos positivos y negativos de 12 V en los cuales los datos son codificados.

    Mecnicamente, el estndar RS-232C tiene conectores de 9 o 25 pines. Las seales principales que llevan los datos de un terminal a otro son manejadas por las lneas "transmit data" y "receive data". Para hacer posible la transmisin, se requiere una tercera lnea que lleva el potencial comn de referencia. El resto de lneas, que no tienen que estar presentes, llevan informacin del estado de los terminales de comunicacin. Los mdems son controlados por las seales "request to send" y "clear to send", la disponibilidad de un bloque de datos en un computador por "data set ready" y la habilidad para recibir el bloque desde un computador por "data terminal ready".

    - INTERFAZ RS-422

    Cubre solamente los requerimientos elctricos y fsicos para la transmisin. Usa seales diferenciales y simtricas que permite altas velocidades de transmisin de hasta 10 Mbits/s. En el extremo final de recepcin, la diferencia entre los niveles de voltaje es usada para decodificar las seale s; la mayor diferencia positiva corresponde al "0" y la menor al "1". La ventaja est en que si un campo externo acta sobre la lnea, ambas seales son influenciadas al mismo tiempo. La diferencia en la seal se mantiene con excepcin del ruido individual de cada lnea, sustancialmente igual. De esta manera es posible, tender lneas ms largas que para la interfaz RS-232C. Adems, desde que los efectos de la interferencia son restringidos, son posibles velocidades mayores de transmisin.

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

  • - INTERFAZ RS-485

    Especifica los requerimientos elctricos y fsicos para la transmisin simtrica de datos (similar a RS-422) entre varios dispositivos. Hasta 32 dispositivos actuando como transmisores o receptores pueden ser conectados a un cable de dos hilos es decir en una verdadera operacin de bus. El direccionamiento y respuesta a los comandos debe ser resuelta por software. La mxima longitud de las lneas vara entre 1.2 km a una velocidad de 93.75 kBit/s hasta 200m a una velocidad de 500 kBit/s.

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

    - INTERFAZ IEC 1158-2

    Es la interfaz internacional para fieldbus intrnsecamente segura; los datos, en una forma de seal sin retorno a cero, son acoplados con una seal de reloj y enviados como una seal de corriente o voltaje a travs del medio de transmisin. El 1 y ei 0 son formados por un cambio de fase en el momento que se tiene el medio bit, dos estados de ausencia de datos se generan cuando no hay cambio de fase. La interfaz usa un prembulo para sincronizacin y aade un delimitador de inicio y uno final a los datos transmitidos. La naturaleza no ambigua de los delimitadores y el estricto monitoreo del temporizado de la seal, aseguran una transmisin muy segura a altas velocidades y sobre grandes distancias. La interfaz puede suministrar alimentacin segura hasta para 10 dispositivos; se pueden acomodar ms si tienen alimentacin externa.

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

    Tabla 1 - Interfaces de comunicacin

  • Transmisores y vlvulas inteligentes en la actualidad

    Los transmisores digitales digitalizan la seal anloga medida y utilizan un microprocesador. La seal analgica al ingresar al transmisor es digitalizada con un ADC. Debido al tiempo necesario para cuantificar una seal, los instrumentos digitales no realizan una medicin continua, slo se toman muestras (samples) de la seal. A continuacin veremos una clasificacin de los transmisores digitales.

    Figura 5 Conversin Analgica / Digital

    TRANSMISOR "INTELLIGENT"

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

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

  • TRANSMISOR "SMART"

    Su salida es analgica de 4 a 20 mA, y se puede comunicar con un "hand-held" sando modulacin en la salida.

    Conexin de Transmisor "Smart"

    TRANSMISOR DIGITAL

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

    Diferencias entre los transmisores digitales y analgicos

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

    La seal de salida analgica es generada en forma distinta. En un instrumento digital proviene de un DAC.

    Ventajas de los transmisores digitales

    Son flexibles en sus funciones: disponen de ms funciones, por la facilidad de la manipulacin de nmeros por un microprocesador. Las funciones pueden ser modificadas o ampliadas cambiando el firmware.

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

    La calibracin y Idealizacin son realizados digitalmente.

  • La idealizacin puede caracterizarse para ecualizacin de un sensor en particular.

    Las tcnicas digitales de acondicionamiento son ms poderosas.

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

    Mayor exactitud.

    Mayor rangeabilidad.

    Autodiagnstico.

    Capacidad de comunicacin, como en los instrumentos smart y digitales.

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

    Figura 9 Arquitectura de un Transmisor Digital

    Algunas ventajas de los transmisores analgicos

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

    Desventajas de los Transmisores analgicos

    Necesita recalibracin para cambiar el rango de medicin, y es necesario experiencia.

    Se necesita retirar el instrumento de la lnea para calibrar.

    Los componentes, como los potencimetros, experimentan "drift".

    La Idealizacin es fija para un solo tipo de sensor.

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

    Transmisor Analgico Digital Exactitud 0,25 % a 1 % 0,02 % a 0,1 %

    Tabla 2 Exactitud de Transmisores

    Caracterstica Anlogo Smart

    Rango:

    0-5/30 0-25/150 0-125/750

    0-.83/25 "H20 0-8,3/250 0-33,3/1000

    Exactitud: Linealidad: Histresis

    0,2 % span0,1 % span0,5 % span

    0,1 % span, incluye histresis, linealidad y repetibilidad

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

    Tabla 3 Comparacin de yn Transmisor de presin Anlogo y uno "Smart"

    Los instrumentos de tiempo real

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

    La transmisin digital agrega ms tiempo muerto, por ser comunicacin serial, y de acuerdo a la eficiencia del protocolo entre el transmisor y receptor. En la siguiente tabla se muestra una comparacin de tiempos muertos en lazos con distintos tipos de transmisores:

  • Lazo A B C Tipo de

    transmisor Anlogo Smart(Rosemount) Digital (fieldbus)

    Razn de actualizacin (Actualizaciones/ s) 5,5 2,7 Tiempo muerto del transmisor (ms) 20 400 700 Tiempo muerto del controlador (ms) 250 250 250 Otros tiemposmuertos (ms) 480 480 480 Tiempo muerto total (ms) 750 1130 1680

    Tabla 4 Tiempos Muertos de Transmisores

    VLVULAS INTELIGENTES DE CONTROL

    La vlvula convencional presenta los siguientes problemas:

    El posicionador neumtico no provee una regulacin muy exacta.

    El posicionador neumtico es difcil de ajustar.

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

    Provee una mejor regulacin que el posicionador tradicional.

    Al tener microprocesador realiza funciones y control, diagnstico y comunicacin con un host (PC, DCS o Hand Held).

    La autocalibracin de la vlvula se da en pocos minutos.

    La vlvula puede ser monitoreada, obteniendo informacin de la posicin del vastago y la seal de entrada, as como alarmas de estado o de proceso.

    Fuera de servicio, pero en lnea, se pueden realizar pruebas como: histresis, "signature" de la vlvula (Pactuador vs. desplazamiento del actuador), respuesta a escaln.

  • Figura 10 Diagrama de bloques de una Vlvula Inteligente (cortesa d Fisher)

    Las variables medidas son:

    Desplazamiento del vastago

    Presin del actuador

    Seal de control desde el controlador (4-20 mA)

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

    Figura 11 Posicionador inteligente

    En la tabla que sigue, se muestra la informacin accesible remotamente de una vlvula inteligente. Se observa la informacin de identificacin, las de diagnstico, calibracin y otras.

  • Tabla 5 - Informacin obtenida de una vlvula inteligente

    Efecto de ruido en los circuitos de Instrumentacin: criterios para minimizar los efectos

    Todo circuito elctrico tiene ruido en mayor menor medida. ste se vuelve indeseable cuando la relacin seal-ruido se vuelve lo suficientemente baja como para afectar negativamente la operacin del circuito elctrico. Esto es evidentemente aplicable a cualquier instrumento electrnico actual.

    Los dispositivos mecnicos electromecnicos que causan grandes cambios en corriente voltaje son fuentes comunes de ruido. El ruido de radio frecuencia puede provenir de walkie-talkies, sistemas de cmputo inalmbricos y otros sistemas basados en radio. Las fuentes tpicas de ruido incluyen la conmutacin de lneas de alimentacin, la conmutacin de cargas inductivas, los arcos luces fluorescentes, mquinas de soldar, la inadecuada separacin de conductores de diferentes niveles, rayos, descargas estticas, armnicos y lazos de tierra. El ruido puede aparecer tanto en las lneas de alimentacin como en las de control.

    Seal con ruido acoplado

  • FORMAS DE ACOPLAMIENTO DE RUIDO

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

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

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

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

    El complejo mecanismo de acoplamiento de la RFI est basado en la reflexin, absorcin y efectos de antena. La efectividad del acoplamiento de la RFI en un sistema es funcin de la fuente de radiacin, su fuerza, las caractersticas del camino de transmisin. La distancia involucrada y la sensibilidad del receptor.

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

    El ruido conducido es acoplado dentro de un circuito a travs de la transmisin del ruido debido a cables u otros materiales conductivos. Ms tarde ms temprano, todos los dems ruidos se convierten en ruido conducido. El ruido de modo comn es

  • definido entre los cables conductores y el circuito de referencia y el ruido de modo comn es definido entre los conductores del circuito y tierra.

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

    - La impedancia de salida de la seal. - La impedancia de la carga de la fuente de seal (impedancia de entrada del circuito receptor). - La longitud del cable, el tipo de blindaje y la puesta a tierra. - La cercana a fuentes de ruido. - La amplitud de la seal y del ruido.

    GUA GENERAL PARA DETERMINAR LA LONGITUD DEL CABLEADO

    En funcin al tipo de seales que van a circular por ellos, hay que considerar que la longitud de los cables debe ceirse a lo siguiente:

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

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

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

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

  • REGLAS PARA PUESTA A TIERRA

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

    Los materiales no magnticos solo son efectivos contra el ruido electrosttico (acoplamiento capacitivo).

    - Los materiales magnticos son efectivos contra el ruido electrosttico y magntico. - Los cables trenzados son efectivos contra el ruido magntico y en general son de buena aplicacin. - Los efectos inductivos son ms significativos cuando la longitud del cable es mayor al 1/20 de la frecuencia en cuestin. - En un lazo de instrumentos sin conexin a tierra, se debe seguir la primera regla - La vulnerabilidad del circuito al ruido acoplado es relativa al lazo del circuito expuesto al ruido. La reduccin del lazo, reduce el ruido.

    DOCUMENTACIN EN INSTRUMENTACIN: PFD, P&ID, LOOP DIAGRAM

    Toda ingeniera y/o disciplina tcnica tiene su propia manera estandarizada de hacer sus diagramas y/o planos, el mundo de instrumentacin y control no es una excepcin. El alcance de la instrumentacin es demasiado amplio, por tanto un solo tipo de diagrama no es suficiente para representar todo lo que nosotros podramos necesitar. En estos artculos discutiremos los tres tipos de diagramas de instrumentacin.

    Diagramas de Flujo de Procesos (Process Flow Diagrams - PFDs)

    Diagramas de Instrumentacin y Procesos (Process and Instrument diagrams -P&IDs) Diagramas de Lazo (Loop diagrams loop sheets)

    En el ms alto nivel, el ingeniero o tcnico instrumentista se interesa en las interconexiones de los recipientes, lneas, tuberas, rutas de flujo de los fluidos de todo el proceso. La manera adecuada para representar esta necesidad a alta escala de nuestros procesos es utilizar los diagramas llamados Diagramas de Flujo de Proceso o Process Flow Diagrams". Instrumentos individuales son turbiamente representados en un PFD, porque simplemente la principal idea de los PFD es diagramar al proceso en si.

  • En el nivel ms abajo, nosotros los ingenieros o tcnicos instrumentistas estamos realmente interesados en las conexiones de instrumentos a detalle, incluyendo todo el diagrama de cableado, numero de terminales, tipos de cables, rangos de calibracin de instrumentos, etc. La forma de representar todos estos detalles que demanda este nivel es mediante los llamados Diagramas de Lazo o Loop Diagram. Aqu, recipientes, lneas y tuberas del proceso son representados escasamente, dado que en este tipo de diagramas no centramos en el instrumento mismo.

    Diagramas de Instrumentacin y Procesos o Process and Instrument Diagrams (P&IDs) se encuentra en un nivel intermedio entre los diagramas de flujo de proceso y diagramas de lazo. Un P&ID (/Pi and Ay Di) nos muestra todas las partes principales del proceso como recipientes, lineas y maquinaria, pero con la instrumentacin asociada superpuesta en el mismo diagrama mostrando lo que se esta midiendo y que se esta controlando. Aqu, nosotros podemos ver el flujo de todo el proceso as como el flujo de informacin entre la instrumentacin y control del proceso.

    Ejemplo de P&ID

    Adicionalmente, existen otro tipo de diagramas llamados Diagramas Funcionales que son usados para un proposito totalmente diferente: documentar la estrategia del sistema de control. Dentro de un Diagrama Funcional, ponemos nfasis en representar los algoritmos usados dentro del control de proceso, ms no lneas, cableado o conexiones de instrumentos. Estos diagramas son comnmente encontrados en la industria de generacin de energa, pero tambin es usado en otras industrias.

    Como ingenieros y tcnicos instrumentistas o de control, debemos frecuentemente consultar entre los diferentes diagramas cuando estamos intentamos solucionar problemas en sistemas de control complejos. Entonces la manera adecuada de revisar la documentacin asociada con el sistema de control e instrumentacin es empezar con los diagramas PFD o P&ID para tomar un overview general del proceso, y ver

  • con facilidad como los componentes del procesos interactan. Luego, una vez que tenemos identificado el lazo instrumentado que necesitamos investigar, nos vamos a ver el diagrama de lazo asociado verificando las conexiones detalladas de sistema instrumentado, entonces conociendo esto podemos empezar a conectar el equipo de testeo y saber que seales debemos encontrar.

    De manera simple, podemos hacer la analoga con los mapas o precisando con un globo de la tierra, un atlas de mapas y un mapa de calles de una cuidad. El globo de la tierra (en analoga con los diagramas PFD) nos da una idea general para ver de toda la tierra, paises, y cuidades. Un atlas (en analoga con un P&ID) nos permite hacer un zoom para ver detalladamente provincias en particular, estados, distritos y rutas de viaje contando todas ellas. Un mapa de cuidad (en analoga con los Diagramas de Lazo) nos muestra carreteras, canales, calles o incluso direcciones para que nosotros podamos encontrar un ruta en particular. Seria impractico tener un gran globo terrqueo que muestra a detalle cada cuidad!!. Hay una cierta economa inherente a la omisin de detalles, tanto en la facilidad de uso y en la facilidad de mantenimiento.

    En los proximos articulos detallaremos cada uno de los diagramas antes descritos con ejemplos y formas de interpretarlos.

    DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS (PFD) Y DIAGRAMAS DE PROCESO E INSTRUMENTACIN (P&ID) : INTERPRETACIN

    Para mostrar un proceso practico, vamos a examinar tres procesos separados para un sistema de control de un compresor. En este procesos ficticio, el agua esta siendo evaporada de una solucin de proceso bajo un vaci parcial (provedo por el compresor).

    El compresor entonces transporta el vapor hacia un knockout drum o recipiente final donde algunos de ellos se condensan formando liquido. Como un tipo PFD (Process Flow Diagram), este diagram muestra de la mejor manera las interconexiones entre los procesos (recipientes y equipos), pero emite detalle como seales de instrumentacin y instrumentos auxiliares.

  • Uno podra adivinar las interconexiones de instrumentos basndose en las etiquetas o tags de los instrumentos. Por ejemplo, una buena hiptesis sera que el transmisor de nivel (LT) en la parte inferior del drum de podra enviar la seal de que eventualmente controla la vlvula de nivel (LV) en la parte inferior de ese mismo recipiente. Tambin se podra suponer que el transmisor de temperatura (TT) en la parte superior del evaporador puede ser parte del sistema de control de temperatura que permite a enviar vapor hacia la camisa de calentamiento de ese recipiente.

    Basndonos solamente en este diagrama, no queda claro a donde se esta enviando la seal del transmisor de flujo (FT) en la lnea de succin antes del compresor. Este nivel de incertidumbre es perfectamente aceptable para un PFD, porque su propsito es simplemente para mostrar el flujo general del proceso en s, y slo un mnimo de instrumentacin de control.

    Diagramas de Procesos e Instrumentacion (Process and Instrument Diagrams)

    El siguiente nivel de detalle es el proceso y el Instrumento Diagrama, o P & ID. Aqu, vemos a un "zoom" del alcance del proceso de evaporacin de todo el compresor como unidad. Por ello que el evaporador y el knockout drum por poco y desaparecen conjuntamente con su instrumentacin en el diagrama P&ID del compresor.

  • Ahora vemos que hay ms instrumentacin asociada con el compresor que un simple transmisor de flujo. Hay tambin un transmisor de presin diferencial (PDT), un controlador de flujo que indica (FIC), y una vlvula de control de "recirculacion que permite que parte del vapor que sale de la lnea de descarga del compresor regrese a la lnea de succin del compresor. Adems, tenemos un par de transmisores de temperatura que nos informan acerca de las temperaturas de succin y de la lnea de descarga hacia un registrador indicador.

    A veces, P&ID es sinnimo de Piping and Instrument Diagram. Pero de cualquier manera, significa la mismo.

    Algunos otros detalles podemos encontrar dentro de los diagramas P&ID tambin. Por ejemplo, vemos que el transmisor de flujo, controlador de flujo,transmisor de presin y vlvula de flujo, todos llevan un nmero comn: 42. Este comn "nmero de lazo" indica que estos cuatro instrumentos son parte del mismo sistema de control. Un instrumento con cualquier nmero de otro lazo es parte de un sistema de control diferente, la medicin y / o el control de alguna otra funcin en el proceso.

    Ejemplos de ello son los dos transmisores de temperatura y sus respectivos registradores, con los nmeros de lazo de 41 y 43.

    Por favor, tengamos en cuenta las diferencias de las "burbujas" o simbologia de los diagramas,como se muestra en este P & ID. Algunas de las burbujas son slo crculo abierto, mientras que otros tienen lneas que recorren el centro. Cada uno de estos smbolos tiene un significado de acuerdo a la norma ISA (Instrumentation, Systems, and Automation society):

  • El tipo de "burbuja" o smbolo que se utiliza para cada instrumento nos dice algo acerca de su ubicacin. Esto, obviamente, es muy importante cuando se trabaja en una planta con muchos miles de instrumentos diseminados en varias de reas de procesos y sub-plantas.

    La caja rectangular adjuntando a los registradores de temperatura muestra que son parte del instrumento fsico. En otras palabras, esto indica que en realidad slo hay un instrumento registrador de temperatura, y que las registra las temperaturas de succin y descarga (lo ms probable en el grfico de la misma tendencia). Esto sugiere que cada burbuja no necesariamente representan un instrumento discreto o fisico, sino ms bien una funcin de instrumento que puede residir en un dispositivo multi-funcin.

    Detalles que no podemos ver en este P & ID y en cualquier diagrama similar son los tipos de cable, nmero de cables, bloques de terminales, cajas de paso, rangos de calibracin de instrumentos, los modos de fallo, fuentes de energa, y similares. Para examinar este nivel de detalle, tenemos que ir ver el diagrama de lazo asociado.

  • DIAGRAMAS DE LAZO (LOOP DIAGRAMS): EL CONTROL A DETALLE

    Finalmente, nosotros llegamos el diagrama de lazo o loop diagram (algunas veces llamado loop sheet) para el sistema de control del compresor que empezamos a estudiar en artculos anteriores.

    Aqu nosotros podemos ver que el P&ID no nos mostr todos los instrumentos involucrados para este lazo de control. No solo, para este lazo, nosotros tenamos dos transmisores, un controlador, y una vlvula; sino que tambin tenemos dos seales de provenientes de transductores. El transductor 42a modifica la seal del transmisor de flujo antes de ingresar al controlador, y el transductor 42b convierte la seal electrnica 4 20mA a una seal neumtica (aire) a una presin entre 3 y 15 PSI. Cada burbuja o crculo de los instrumentos en el diagrama de lazo representa un dispositivo individual, con sus propios terminales para la conexin del cableado asociado.

    Debemos darnos cuenta que las lneas punteadas o discontinuas ahora representan cables de cobre en vez de todos los cables. Los bloques de terminales donde el cableado se conecta es representado por cuadrados con nmeros dentro de ellos. El numero de cables, color de cableado, nmeros de junction blocks, identificacin de paneles, e incluso los puntos de aterramiento son todos mostrados en este tipo de diagramas. El nico tipo de diagrama a un mas bajo nivel de abstraccin que un

  • diagrama de lazo seria un diagrama de esquemtico electrnico para un instrumento individual, en el cual por supuesto solo mostrara detalles pertinentes respecto a ese nico instrumento. Por lo tanto, el diagrama de lazo es la forma o documento mas detallado de todo el sistema de control, y por tanto debe contener todos los detalles omitidos en los diagramas PFD y P&ID.

    Para ingenieros o tcnicos principiantes podra parecer excesivo incluir trivialidades como el color de cableado en un diagrama de lazo. Para el instrumentista experimentado quien ha trabajado en sistemas de control con falta de informacin detallada o no muy precisa, esta informacin es altamente valorada. Mientras mayor detalle podamos incluir en nuestros diagramas de lazo, mucho ms fcil ser realizar tareas de mantenimiento en los mismos sistemas en el futuro. Cuando un diagrama de lazo muestra exactamente que color de cable esta asociado a algn bloque de instrumentacin del sistema y exactamente que Terminal esta conectado, se torna mucho mas fcil proceder con cualquier tarea de mantenimiento correctivo (troubleshooting), calibracin, etc.

    Un detalle interesante que podemos ver en este diagrama de lazo es que se especifica el input calibration y output calibration o rangos de calibracin para cada instrumento del sistema. Esto es realmente importante, conocer el rango de calibracin, cuando vamos a tratar de solucionar problemas complejos dentro del sistema instrumentado: cada instrumento tiene al menos una entrada input y una salida output, con alguna relacin matemtica simple entre ambos. El diagnstico de un problema que se encuentra dentro de un sistema de medicin o control a menudo se reduce a pruebas de varios instrumentos para ver si sus respuestas coinciden con la salida adecuada a sus respectivas condiciones de entrada.

    Por ejemplo, una manera de probar el transmisor de flujo en este sistema de control seria someterla a una serie de presiones diferentes dentro de su rango (rango especificado en el diagrama de 0 a 100 pulgadas de agua diferenciales inches of water column dierential PSID) y ver si es que o no la actual seal de salida del transmisor fue consecuentemente proporcional a la presin aplicada (por ejemplo 4mA a 0 PSID, 20mA a 100PSID, 12mA a 50 PSID, etc.).

    Teniendo en cuenta el echo de que un error de calibracin o mal funcionamiento de cualquiera de estos instrumentos puede causar problemas en el sistema de control en su conjunto, es muy apreciado si podemos conocer alguna manera de determinar cual instrumento es el que nos causa problemas y cual no. Este principio o criterio general es vlido independientemente del tipo de instrumento o de la tecnologa:

  • Podemos usar el mismo procedimiento input-vs-output para verificar una buena operacin de un transmisor de nivel neumtico (3 a 15 PSI) o en un transmisor de flujo electrnico (4 a 20mA) o un transmisor de temperatura digital (fieldbus) indistintamente. Cada y todo instrumento tiene una entrada y una salida, y hay siempre un correlacin predecible (y comprobable) de uno al otro.

    Otro detalle interesante visto en el diagrama de lazo de ejemplo es la accin de cada instrumento. Podemos apreciar en el diagrama a lado del recuadro que contiene el rango calibrado del instrumento una fecha (que apunta hacia arriba o abajo). Una fecha hacia arriba () representa un instrumento de accin directa direct-acting instrument: aquel cuya seal de salida aumenta a medida que aumenta el estmulo entrada. Una fecha hacia abajo () representa un instrumento de accin inversa reverse-acting instrument: aquel cuya seal de salida disminuye a medida que aumenta el estmulo entrada. Todos los instrumentos en este lazo son de accin directa con la excepcin del transmisor de presin diferencia PDT-42:

    Aqu, la fecha hacia abajo nos dice que el transmisor tendr una seal de salida con rango mximo (20mA) cuando sense un valor diferencial de presin de cero, y una seal de 0% (4mA) cuando sense el mximo de presion diferencial es decir 200PSID. Mientras esta calibracin podra parecer un poco confusa y no garantizada, sirve con un propsito definido en este sistema de control en particular. Desde que la seal de corriente del transmisor disminuye conforme la presin aumenta, y el controlador debe estar consecuentemente configurado, una disminucin de la seal de corriente ser interpretado por el controlador como un valor alto presin diferencial. Si cualquier conexin en el cableado fallara en el lazo de corriente 4-20 mA para este transmisor, el resultado 0 mA ser naturalmente visto por el controlador como una condicin de presin over-range. Esto es considerado peligroso en un sistema de un compresor porque se predice como una condicin de fuga o inestabilidad. Por tanto, el controlador naturalmente tomara las acciones para prevenir esta sobre presin y mandara la vlvula de control asociada a abrir, por piensa que el compresor esta a punto de ponerse inestable. En otras palabras, el transmisor es intencionalmente calibrado para ser de accin inversa dado que cualquier falla de seal (cableado defectuoso por ejemplo) el sistema ser llevado a su condicin mas segura.

  • IDENTIFICACIN DE INSTRUMENTOS: COMO ARMAMOS LOS TAGS? Hasta este punto, hemos explorado varios tipos de diagramas de instrumentacin, y en cada uno hemos hecho referencia a diferentes instrumentos identificndolos mediante letras como TT (Transmisor de Temperatura Temperature Transmitter), PDT (Transmisor de Presin Diferencial Pressure Differential Transmitter) o FV (Vlvula de Flujo Flow Valve), sin definir formalmente las letras usadas para identificarlos.

    Una parte del Standard ISA 5.1 hace exactamente esto, es decir definir una nomenclatura para identificar instrumentos acorde con sus funciones y tipos, es en este parte que nos vamos a centrar en el presente artculo.

    Cada instrumento dentro de una instalacin o planta, debe tener su propio y nico identificador o TAG que consiste en una serie de letras describiendo la funcin del instrumento, as como un numero que esta asociado a su respectivo lazo de control. Un nmero prefijo opcional puede ser incluido en el Tag para designar una rea especfica en el cual el instrumento esta instalado, y unas letras de sufijo para designar mltiples instancias del instrumento dentro del lazo. Por ejemplo, si nosotros vemos un instrumento teniendo el tag FC-135, deberamos saber que es un Controlador de Flujo (FC) para el lazo de control numero 135. En plantas de amplias instalaciones con mltiples unidades de proceso o reas, un tag podra ser precedido por otro nmero el cual designara el rea involucrada. Por ejemplo, un controlador de flujo podra ser etiquetado o tener un tag como 12-FC-135 (controlador de flujo para el lazo #135, localizado en el rea o unidad 12). Si este lazo tiene varios controladores, nosotros podramos necesitar distinguir uno del otro entonces en este caso hacemos uso letras al final del tag. (Por ejemplo 12-FC-135A, 12-FC-135B, 12-FC-135C).

  • Todos los instrumentos dentro de un lazo en particular son primero definidos por la variable que el lazo censa o controla, indistintamente de su construccin fsica. En nuestro hipottica ejemplo el controlador de flujo FC-135, por ejemplo, puede ser fsicamente idntico a un controlador de nivel de lazo numero #72 (LC-72), o a un controlador de temperatura en el lazo #288 (TC-288). Lo que hace que el FC-135 sea una controlador de flujo es que el transmisor esta sensando/controlando flujo como variable primera del proceso. Del mismo modo, la identificacin de tags para todo otro instrumento dentro del lazo debe empezar con la letra F tambin. Hay tener en cuenta que en ciertos casos esta regla se rompe por ejemplo cuando tenemos un lazo en cascada o feedforward donde hay mltiples realimentaciones de seales de trasmisores que ingresan a un mismo controlador, cada transmisor en este caso es identificado por el tipo de variable de proceso que sensa, y cada controlador es identificado de la misma manera. Esta regla tambin incluye al elemento final de control: en un lazo de control de nivel, el transmisor ser identificado como un LT incluso si la variable sensada es indirectamente medida mediante presiones (como el caso de un transmisor de presin diferencial), el controlador ser identificado como un LC, y la vlvula de control que acta sobre algn flujo ser identificado como un LV, todo instrumento en ese lazo de control de nivel ayudara a controlar NIVEL y su funcin primaria ser el control o medida de nivel. Varias nomenclatura reconocidas por la ISA para definir variables primarias de procesos de instrumentos dentro de un lazo es mostrado en la siguiente tabla. Debemos darnos cuenta el uso de un modificador define una nica variable, por ejemplo a PT es un transmisor de presin en un punto simple de un proceso. En cambio un PDT es un transmisor de presin diferencial entre dos puntos de un proceso. Axial mismo, un TC es un controlador de temperatura, en cambio un TKC es un controlador del tasa de cambio de temperatura rate-of-change of temperature.

    Letter Variable Modifier A Analytical (composition) B Burner or Combustin C User-defined D User-defined Differential E Voltage F Flow Ratio or Fraction G User-defined H Hand (manual) I Current J Power Sean K Time or Schedule Time rate-of-change L Level M User-defined Momentary N User-defined 0 User-defined P Pressure or Vacuum Q Quantity Time-Integral or Total R Radiation S Speed or Frequency Safety T Temperature

  • U Multi-function V Vibration w Weight or Forc X Unclassified X-axis

    Y Event, State, or

    Presence Y-axis Z Position or Dimensin Z-axis

    Una letra designada como user-defined representa una variable no estndar usado en mltiples veces en un sistema instrumentado. Por ejemplo, un ingeniero diseando un sistema instrumentado para medir y controlar el refractive index o ndice de refraccin de un lquido podra elegir usar la letra C para esta variable, Por lo tanto un transmisor de refractive-index seria designado como CT y una vlvula de control de refractive-index seria CV. Esto significa que una variable user-defined necesita ser definida en una localizacin (por ejemplo en la leyenda del diagrama o plano).

    Una letra designada como unclassified representa una o ms variables no estndares, cada una usada solo una vez (o muy pocas veces) dentro del sistema instrumentado.

    Para construir nuestros tags debemos hacer que estas representen de la mejor manera funcin que involucra dentro del proceso. Por ejemplo un PT es un instrumento que transmite una seal que representa presin, mientras que PI es un indicador de presin y un PC es un controlador de presin. Muchos instrumentos tienen mltiples funciones asignadas por mltiples letras, como un TRC (Controlador Registrador de Temperatura). En otros casos, la primera letra representa una funcin pasiva (usualmente proveda por el operador) mientras que la segunda letra representa una funcin de control activa (automatizada).

    Letter Passive function Active function Modifier A Alarm B User-defined User-defined User-defined C

    Control E Element (sensing) G Glass or Viewport H

    High I Indicate K

    Control station L Light Low M

    Middle or Intermedate N User-defined User-defined User-defined 0 Orfice P Test point R Record S

    Switch

  • T Transmit

    U Multi-function Multi-function Multi-function V

    Valve, Damper, Louver W Well X Unclassified Unclassified Unclassified

    Y

    Relay, Compute, Convert

    Z

    Driver, Actuator, or unclassified final control element

    Una variedad de combinaciones de letras son frecuentemente usadas para identificar detalles no estandarizados por la ISA. Por ejemplo, un analizador qumico frecuentemente tiene su conexin para la entrada de muestras representado con la combinacin de letras SC, a pesar de que esto no aparezca en ninguna parte del estndar ISA 5.1.

    En la siguiente lista, se muestran algunos ejemplos de tags comnmente usados:

    AIT = Analytical Indicating Transmitter (ejm, un analizar de concentracin de oxigeno con un display incluido que muestra el porcentaje de concentracin)

    ESL = Voltage Switch, Low (Ej. Un switch usado para detectar condiciones de bajo voltaje en sistema elctrico de potencia)

    FFI = Flow Ratio Indicator (Ej. Un dispositivo que nos indica la proporcin entre aire y combustible para un motor industrial)

    FIC = Flow Indicating Controller (Ej Un controlador designado para indicar flujo a los operadores)

    HC = Hand Controller (Ej Un dispositivo que permite al operador fijar una seal de control deseada de nivel, usualmente una vlvula)

    JQR = Power Totalizing Recorder (Ej. Registrador de potencia, y seguimiento de la energa usada) LSHH = Level Switch, i.e.-i.e. (Ej. Switch de nivel para detectar un nivel alto de

    nivel de liquido y que puede iniciar un apagado o enclavamiento automtico) LT = Level Transmitter (Ej Un transmisor de nivel) PIT = Pressure Indicating Transmitter (Ej un transmisor de presin que tiene

    incluido un display que muestra la presin en la unidad de ingeniera requerida) PDT = Pressure Differential Transmitter (Ej. Un transmisor de presin que puede

    sensar la diferencia de presin entre dos puntos de un proceso) PV = Pressure Valve (Ej. Un vlvula de control instalada en un lazo donde la

    variable principal es la presin) TE = Temperature Element (Ej. un sensor de temperatura, como una termocupla,

    termistor, termmetro bimetalito, etc.) TKAH = Temperature Rate-of-change Alarm, High (Ej. Un dispositivo de alarma

    que se activa cuando la proporcin de cambio de la temperatura excede un limite fijado)

    TV = Temperature Valve (Ej. Una vlvula de control instalada en un lazo donde la variable de proceso es la temperatura).

    TY = Temperature Converter (Ej.Un trasductor I/P en un lazo de temperatura) VSH = Vibration Switch, High (Ej. Un switch usado para detectar niveles altos de

    vibracin en una bomba)

  • ZXI, ZYI, and ZZI = Position Indicators for X, Y, and Z axes respectively (Ej.Indicadores que muestran sus posiciones en los tres ejes para una parte de una maquina CNC)

    CONEXIONES A PROCESO DE INSTRUMENTACIN: UNIONES BRIDADAS

    En los siguientes artculos vamos a hablar de los mtodos comunes que suelen unir tuberas (y unir tuberas para equipos como instrumentos de presin o flujometros).

    Conexiones Bridadas

    En los Estados Unidos de Amrica, gran parte de las tuberas en la industria suelen unirse mediante bridas. Una tubera bridada es una tubera con un anillo de metal, usualmente soldada al final de la tubera, con varias perforaciones y agujeros concntricos a la tubera donde ingresan varios pernos para hacer presin con otra brida.

    Tuberias bridadas

    La unin de las bridas se hace mediante una serie de pernos y tuercas que conjuntamente con un empaque gasket entre ambas bridas sellan la unin a prueba de presin (evitando fugas por alta presin). Los empaques son fabricados de diferentes materiales ms blandos que los del acero de las mismas bridas. Cuando el empaque es atrapado entre las dos bridas, esta es aplastada y por tanto evitara cualquier tipo de fugas del flujo hacia el exterior.

    En la siguiente imagen se muestra en flujometro magntico instalado con bridas y sus 4 pernos:

  • Flujometro magnetico con conexin bridada

    Si revisamos de cerca la unin de las bridas, podemos ver un espacio o brecha entre las caras de las bridas creado por el espesor de la empaquetadura aplastada entre el par de bridas.

    Un mtodo comn para instalar la empaquetadura entre las dos bridas es primero instalar la mitad de pernos (en los huecos del centro de la tubera hacia abajo), luego pones la empaquetadura entre las bridas, y entonces insertamos el resto de pernos en los huecos superiores de la brida, y por ultimo procedemos a ajustar todos los pernos en pares opuestos hasta ajustar todos adecuadamente.

    Procedimiento para instalar empaquetadura en tuberias bridadas

    En USA, las bridas suelen ser pedidas acorde con el sistema de clases de presin definidas en la ANSI (American National Standards Institute) estndar 16.5. Estas presiones son diseadas por valores numricos seguidos de lb, libras o #. Comnmente la clasificacin ANSI incluye 150#, 300#, 400#, 600#, 900#, 1500#, y 2500# clases de presiones. Debemos darnos cuenta que esta numero de clasificacin no refiere directamente a los rangos de presin en unidades como PSI, pero en la practica es tomado como si lo fuera, es decir una brida clase 150# soportara una presin mxima de 150 PSI. Esto es a consecuencia de que la clasificacin de

  • clases de bridas y la clasificacin de presiones es similar, pero solo en condiciones estndares de temperatura, mas no con metales que pueden deformarse a temperatura elevadas.

    Originalmente, las clases de bridas ANSI fueron basadas en clasificaciones en base a condiciones de flujo de vapor. Una brida de 250#, por ejemplo, fue calificada como tal porque fue diseada para ser usada en una tubera un servicio donde el fluido era vapor a 250 PSI (y 400 grados Fahrenheit). Conforme avanza la metalurgia, estas bridas pueden ser capaces de soportar altas presiones a altas temperaturas, pero la clasificacin original se mantiene a pesar de ello.

    Las tuberas bridadas y sus componentes deben precisar la clasificacin de las bridas y sus tamaos para un adecuado funcionamiento. Por ejemplo, una vlvula de control con un cuerpo bridado de 4 pulgadas ANSI Class 300# puede solo ser unida con otra brida de 4 pulgadas ANSI Class 300#. La integridad fsica del sistema de tubera estara en peligro si hay una descompensacin entre las clases de bridas a ser unidas. Una adecuada empaquetadura tambin debe ser seleccionada acorde con la presin (clase) de las bridas. Por lo tanto, todas las bridas a ser unidas deberan ser consideradas como un sistema completo, con seguridad garantizada solo si todos los componentes estn debidamente seleccionados para trabajar juntos.

    Un importante procedimiento para observar cuando se va a ajustar los pernos entre dos bridas es que debe distribuirse uniformemente la presin en los pernos, es decir ninguna regin de la brida debe recibir mayor presin que las otras regiones. En palabras ideales, debemos ajustar todos los pernos con la misma fuerza simultneamente. Sin embargo, esto es imposible con una sola llave, la mejor alternativa es ajustar los pernos con una secuencia alternada, y poco a poco ir aumentando la fuerza de ajuste poco a poco en todos los pernos. Un muy ilustrativa forma de ajustar los pernos es mostrada en el siguiente diagrama (los nmeros indican el orden en el cual los pernos deberan ser ajustados).

  • Orden para ajustar pernos en uniones bridadas

    Con una llave, ajustaramos cada perno con una determinada fuerza en la primera secuencia. Luego, repetimos la secuencia pero con una fuerza adicional y as repetiramos la secuencia hasta que todos los pernos queden debidamente ajustados.

    Conexion a proceso de Instrumentacion: conexiones roscadas

    Para tuberas de tamao reducido, las uniones roscadas con ampliamente usadas para hacer uniones entre lneas y equipamiento involucrado (incluyendo instrumentacin). Un diseo muy comn para tuberas roscadas es la rosca cnica. La intencin de una rosca cnica es permitir que la tubera y el accesorio (en nuestro caso puede ser un instrumento) se suelden fuertemente cuando las pongamos juntas, creando una unin muy resistente mecnicamente y a prueba de fugas.

    Cuando la tubera hembra y macho son roscadas o unidas por primera vez, ello forman una unin dbil o floja.

    Luego debemos ajustar de modo que completemos la unin de todas los tienes de la rosco de la tubera hembra y macho, as:

  • En la actualidad existen bastantes estndares acerca de tuberas roscadas. Para cada estndar, se establece el Angulo de la rosca, como el ngulo del cono. El paso de la rosca o thread pitch (numero de roscas por unidad de longitud) varia con el dimetro de la tubera. Por ejemplo, tuberas roscadas de 1/8 NPT tienen un paso de rosca de 27 roscas por pulgada, tuberas roscadas de NPT y 3/8 NPT tiene 18 roscas por pulgada, y NPT tienen 14 roscas por pulgada, y de 1 pulgadas hasta 2 pulgadas NPT tienen 11.5 roscas por pulgada. En los Estados Unidos, el estndar comnmente usado para tuberas roscadas es el NPT o National Pipe Taper. Las roscas NPT tienen un ngulo de 60 y un ngulo de c ono de 1 47 (1.7833).:

    Las tuberas roscadas NPT deben tener, antes de ser unidas, un elemento sellador para asegurar la confiabilidad del sellado. Generalmente para esta tarea se usa cinta Tefln, aunque tambin existes en el mercado una variedad se selladores para

  • tuberas roscadas. Los selladores son necesarios en roscas NPT por dos razones principales: para lubricar las piezas hembra y macho (evitando irritacin o desgaste entre las superficies de metal), y tambin para llenar el espacio entre las roscas (hembra y macho) es decir el espiral (muescas) de toda la rosca.

    Las tuberas roscadas NPTF (National Pipe Thread) son construidas con el mismo ngulo de rosca y paso de rosca como el estndar NPT, pero tienen un adicional cuidado para evitar la espiral de fugo que normalmente tiene las roscas NPT. Este diseo, al menos en teora, evita el uso de un sellador para lograr unir las piezas hembra y macho con una alta resistencia a fugas, por lo que las roscas NPTF con comnmente llamadas como sello seco o dryseal. Sin embargo, en la prctica es totalmente recomendado usar algn sellador para lograr un sello confiable.

    Otra estndar de roscas cnicas es la BSPT, o British Standard Pipe Tapered. Las roscas BSPT tienen un estrecho ngulo de rosca que las roscas NPT (55 en vez de 60) pero con el mismo ngulo de cono 1 47 (1.783 3).

    Conexin de Instrumentacin en Procesos Sanitarios o esterilizados

    El procesamiento de alimentos, industrias farmacuticas y procesos de investigacin biolgica son naturalmente muy sensibles ente la presencia de micro-organismos como bacterias, hongos entre otros. Es importante que estos procesos estn libres de micro-organismos perjudiciales, por la salud humana y el control de calidad de los productos.

    Por esta razn, diseo de tuberas y recipientes en este tipo de industrias se basa primordialmente y ante todo para que no se tenga la necesidad de desmontar al

  • momento limpiarlas. Generalmente los ciclos de limpieza y esterilizacin son planeados y ejecutados entre periodos de produccin (batches) para asegurar que ninguna colonia de micro-organismos pueda crecer.

    Un protocolo comn Clean-In-Place (CIP) consiste en el lavado de todas las tuberas y recipientes del proceso con un acido alternativo y soluciones custicas, entonces se enjuaga con agua purificada. Para incrementar la desinfeccin, un ciclo de Steam-In-Place (SIP) puede ser incorporado tambin, lavando las lneas de procesos y recipientes con vapor a altas temperaturas para asegurar la destruccin de cualquier micro-organismo.

    Un caracterstica de diseo importante para cualquier proceso sanitario o esterilizado es la eliminacin de cualquier dead ende o dead legs (cualquier rea de una tubera donde el agua o fluido esterilizante se puede estancar y no hace un intercambio o movimiento durante el lavado), o grietas. Esto incluye cualquier instrumento que este en contacto con el fluido del proceso. Seria peligroso, por ejemplo, conectar algo tan simple como un manmetro de tubo de bourdon en una tubera que traslada fluidos sensibles biolgicamente, puesto que en el volumen interior del manmetro se estancaran y podrn refugiar colonias de bacterias y hongos para crecer.

    En vez de eso, cualquier manmetro deber usar un diafragma de aislamiento, donde la presin del fluido del proceso ser trasferido hacia el mecanismo de medicin a travs de un esterilizado fill fluid o fluido de relleno que nunca tendr contacto con el fluido del proceso.

  • Con el diafragma de aislamiento, no habr lugares de estancamiento del fluido de proceso y permitir realizar los lavados CIP y SIP con efectividad.

    Los accesorios de conexin de tuberas estndares son un problema en sistemas sanitarios, as como los pequeos espacios entre las uniones roscadas que puedan proveer refugio a micro-organismos. Para evitar estos problemas, se hace uso de una serie de accesorios sanitarios especiales para tuberas. Estos accesorios consisten en la unin de un par de bridas, que se mantienen unidas por aun abrazadera externa. En la siguiente figura se muestra un conjunto de accesorios sanitarios en un banco de prueba de instrumentacin:

    En la figura siguiente se muestra la instalacin de un transmisor de presin en una lnea de agua ultra pura usando accesorio de unin sanitarias. La abrazadera externa que mantiene las dos bridas unidas, se puede ver claramente en la figura mostrada:

  • Los accesorios de tuberas sanitarias no se limitan a las conexiones de instrumentos. Aqu hay dos fotografas de equipos de proceso (una vlvula de bola a la arriba, y una bomba abajo) conectado a las tuberas de proceso utilizando accesorios sanitarios.

  • CONEXION A PROCESOS: TIPOS DE CONECTORES DE TUBING EN INSTRUMENTACION

    Los accesorios diseados para conectar tubings a tuberias roscadas son llamados "conectores". Los accesorios para conectar un tubing con otro son llamados uniones.

    Si una union necesita juntar dos tubing de diferente tamaos en lugar de tubing de tamaa igual, son llamados "reducciones".

    Una variacion respecto al tema de conectores y uniones de tubings es el bulkhead o "montada en paneles o tabiques". Las uniones Bulkhead son diseadas para fijarse a traves de agujeros en paneles o gabinetes para proveer un camino o canal para el fluido involucrado para pasar a traves de la pared del panel o gabinete. En escencia, la unica diferencia entre un bulkhead y una union normal es la longitud adicional de la "barrera" y una tuerca especial que se utiliza para fijar la union en la pared del agujero. La figura siguiente muestra tres tipos de uniones bulkhead:

    Los codos de tubings son conectores con encurvados. Estos son muy utiles para hacer curvas y/o vueltas sin tener que doblar el tubing mismo. Como los conectores estandares, puede interconectar tuberias roscadas (hembra y macho) o otros tubings:

  • Los codos mostrados en la figura de arriba son todos de 90, pero esta no es el unico angulo disponible. Codos de 45 tambien sin bien comunes en la industria.

    Las "T" o "tees" nos sirven para unir tres tubings a la vez. Tees pueden tener una entrada para tuberia y dos entradas para tubings (branch tees y run tees), o tres entradas para tuberias (union tees). La unica diferencia entre una branch tee y una run tee es la orientacion de un extremo de una tuberia respecto a los extremos de los tubing sobrantes.

    Por supuesto, una tee branch y run tambien vienen para tuberia roscadas hembras. Una variacion en el tema de las uniones T es la cross, pudiendo unir cuatro tubing a la vez:

    UNION DE TUBINGS POR COMPRESION: CONECTORES "COMPRESSION-STYLE"

    En los articulos anteriores llamabamos indistintamente a las "tubos" de las "tuberias o lineas" de proceso, pero debemos entender que en realidad si existe alguna diferencia. En este y los siguiente articulos discutiremos algunas de las mas comunes formas de

  • unir "tubos o tubings", tales como las terminaciones de las tubings hacia equipos como intrumentos de presion.

    Una de las diferencias fundamentales entre una tubo y una tuberia o linea es que la tuberia nunca esta roscada en ninguna de sus terminaciones. Por el contrario, para esta tarea debemos hacer uso accesorios especiales para lograr este acople entre tubos, o piezas de algun equipos (como un instrumento). A diferencia de las lineas que son por naturaleza de pared ancho, los tubos (o en instrumentacion tubings) son estructuras de pared delgada. El espesor de pared tipico de un tubing es simplemente tan delgado como para ayudar al conexionado.

    Los tubings generalmente tienen ventaja sobre las tuberias para aplicaciones donde requiera diametros pequeos. Asi como tambien son altamente preferibles para conectar instrumentacion a las lineas de proceso por su flexibilidad de maniobra con herramientas de mano. Cuando usamos como dispositivo de conexionado entre un instrumento y una linea o recipiente de proceso, los tubos son comunmente llamados como tubos o lineas de sensado o simplemente "tubing" (tener en cuenta que estas definiciones pueden variar dependiendo del pais).

    Union de tubings por compresin

    La forma mas comun de unir tubings con instrumentos son los conectores rectos o conectores a compresion "compression-style", los cuales usan "anillo metalico o aro metalico" para asegurar un buen sellado ante la presion del fluido. Los componentes escenciales de un conector de compresion son el cuerpo, el aro metalico de hermeticidad y la tuerca de ajuste. El "ferrule" aro metalico de ajuste y el cuerpo tienen una union conica diseada para encajar finamente, formando un sello presurizado de metal a metal. Algunos conectores presurizados usan dos puezas "ferrule" o aros metalicos de ajuste, como se muestra en la figura siguiente (justo antes de ser ajustada):

  • Justo antes de ser emsamblada, nosotros vemos como la tuerca va recubirir los aros conicos de ajuste y ellos van entrando en una entrada conica dentro del cuerpo del conector.

    Despues de ajustar apropiadamente la tuerca, el aro metalico de ajuste continuara comprimiendo la terminacion del tubing hacia el cuerpo del conector y por tanto efectuando el sellado apropiadamente.

    Cuando ensamblamos conectores por compresion, debemos siempre seguir las instrucciones precisas del fabricante para asegurar una correcta compresin de los componentes. Por ultimo un figura donde se muestra el conexionado de los conectores rectos a compresion con una herramienta adecuada:

  • HERRAMIENTAS DE AVANZADA PARA INSTALACIN DE TUBING EN INSTRUMENTACIN

    Hoy en dia existen una variedad de herramientas que nos pueden ayudar a realizar instalacion de tubing con conectores a compresion o rectos. Uno de estos dispositivos es una herramienta electronica mecanica fabricada por American Power Tool presisamente para el trabajo con tubings (miremos la figura siguiente).

    El Aeroswage SX-1 tiene un microprocesador que controla un motor electrico para rotar los pernos de conectores o uniones con una dimension angular muy precisa, para realizar correctamente el ajuste de las uniones. La herramienta viene con un set completo de accesorios que nos permitiran ejercer a precision el torque requerido al conector sin necesidad de utilizar alguna otra herramienta.

    En la figura siguiente se muestran un par de fotografias que nos muestra como esta herramienta puede ayudarnos a ajustar o manipular instalaciones de tubing en un lugar no muy comodo, he incluso podria ser dejado ejecutar el trabajo sin manupulacion del instrumentista (hand-free).

  • La cantidad de rotacion es programable, habilitando la herramienta para ser usada con diferentes tipos de conectores. Para estandares industriales de conectores a compresion en tamaos como 1/4", 3/8", 1/2" la recomendacion es dar una rotacion de 1-1/4 vueltas la cual puede ser programada mediante la equivalencia en angulo de 450 grados:

    Ademas de ellos, el microprocesador del dispositivo nos permite registrar todas las acciones realizadas durante los trabajos. Esto puede resultar muy util para trabajos muy finos (como en aeronautica) donde para cada conector se guarda la informacion de instalacion para fines de seguridad y control de calidad. Esta "data" se puede descargar a una computadora a traves del puerto serial que tiene la herramienta. En la figura siguiente podemos ver el display lcd mostrando datos de un registro como el numero de accion, el angulo preciso, fechas y hora.

    Para todos los conectores a compresion en instrumentacion, existen ademas herramientas hidraulicas para proveer fuerza en caso se requiera y comprima los aros de metal en los tubing.

  • DOBLADO DE TUBING EN INSTRUMENTACIN: CONSEJOS

    El doblado de tubing es algo como un arte, especialmente cuando se hace en tubing de hacer inoxidable. Realmente es gratificante ver como realizar maniobras de doblado de tubing con mucha perfeccion, todoas las curvas perfectas, todas los codos perfectos, y todos los tubing paralelos perfectamente tendidos y los tubing perpendiculares muy bien cruzados.

    Si es posible, es una meta del doblado de tubing es eliminar tantas conexiones adicionales sea posible. Las conexion o empalmes siempre estan sujetas a fugas, y estas fugas se traducen en problemas. Generalmente la longitud de cada pieza de tubing estan estandarizadas a 20 pies, pero aun asi hay varios casos en los cuales es necesario hacer empalmes de tubing para ser tendidas y a veces en paralelo, para estos casos debemos utilizar uniones y estas uniones deberan instalarse tomando en cuenta un espacio respecto del resto para poder realizar maniobras de mantenimiento como manipulacion de las tuercas de ajuste. La filosofia aqui, como siempre, es contruir un sistema de tubings pensando siempre en un trabajo futuro. La siguiente fotografia muestra varios uniones de tubing de manera correcta:

    Si el tubing de un instrumento debe conectarse entre un objeto estacionario y otro vibratorio, es recomendable no hacer mucha rigidez del tubing puesto que no tendra mucha flexibilidad para absorver la vibracion. Por el contrario, el tubing deberia tener un lazo de vibracion, dando la elasticidad necesaria para apasiguar los efectos vibratorios. Un ejemplo de un lazo de vibracion en un tubing tiene lugar en el tubing de aire de instrumentacion de una valvula, como podemos apreciar en la siguiente figura: Cuando realicemos el doblado del lazo de vibracion, es muy util usar una circunferencia como una tubo de gran diametro para que nos sirva de guia en lugar de intentar hacer el lazo puramente con muestras manos.

    CONEXIONES, BORNERAS Y TERMINALES DE CABLES: WIRING DE INSTRUMENTACIN - PARTE 1 - 2

    Hay mucho que decir respecto a los detalles que se deben tener en cuenta para realizar el cableado de una seal electrica. A pesar de que a los electrones no les "importa" la forma como los cables de seales son instalados, para nosotros los ingenerios y/o tecnicos instrumentistas debemos mantener todo un sistema y programa de cableado. No solamente un cableado bien realizado o "pulcro" ayudara una rapida solucion de problemas, sino tambien nos permiten una gran facilidad para realizar amplicaciones y modificaciones en los sistemas de control.

    En este articulo veremos una variedad de imagenes que nos muestran practicamente un cableado perfecto. Por tanto, queda de trabajo para nosotros tratar de igualar o mejorar este nivel de cableado.

  • En la figura siguiente podemos ver un cableado de distribucion de potencia a 120 voltios AC. Debemos darnos cuenta como los "jumpers" o puentes curvos de color rojo estan todos (o casi) de la misma longitud y como cada una de las etiquetas de los cables esta orientada de tal manera que permite un lectura facil.

    En esta fotografia de abajo, nos muestra una buena manera de relaizar las terminaciones de cables multipares a los bloques terminales o borneras. Demonos cuenta como el extremo del cable (la capucha principal que contiene los pares trenzados) es envuelta con un coberto termocontraible para definir una apariencia limpia en el cableado.

    Ms all de preferencias estticas para el cableado de seal de instrumentos, sus practicas son basadas en la teora elctrica. En este articulo y en los siguientes describiremos y explicaremos estas buenas practicas de de cableado.

  • Conexiones, borneras y terminales de cables

    Existen diferentes tecnicas para conectar conductores electricos: trenzados, soldados, prensados (usando conectores a compresion) y de sujecin son ejemplos populares. En el campo industrial se utilizan una combinacion de conectores a compresion llamados "terminales" y los terminales roscables o "borneras" para sujetar cables de instrumentacion y otros cables.

    En la fotografia siguiente se muestra un tipico terminal trip o bloque terminal para seales de cables pares tranzados conectados a otro cable par trenzado.

    Si miramos de cerca la fotografia anterior, podemos ver las bases de los terminales a compresion al final de los cables, precisamente donde son insertados en el bloque terminal. Estos bloques terminales usan "bornes" que tienen unas pequeas pernos para aplicar fuerza y sujetar a los terminales de los cables de instrumentacion haciendo un contacto metal con metal dentro de cada bloque. En la figura siguiente muestra como los terminales a compresion lucen en la terminacion de un cable:

    Es evidente que en la figura de arriba solo muestra el terminal a compresion solo en un solo hilo del par, pero siempre va instalado en un par de terminales en cada lado del par de cable. En borneras de conexion simple como el dela figura arriba, el par de hilos de cada cable (uno positivo y otro negativo) son instalados a mano en las

  • borneras, el hilo positivo en siempre esta a la parte izquierda y con numeracion impar y el hilo negativo en siempre en el lado derecho (del hilo positivo) y con numeracin par.

    En la foto siguiente podemos ver el interior de una bornera simple mostrando como los terminales a compresion son instalados y como es que hacen la conexion (en este caso el lado derecho).

    Algunas borneras no tienen pernos de ajuste, en lugar de ello utilizan un sistema mecanico con resortes para fijar mecanica y electricamente los terminales:

  • CONEXIONES, BORNERAS Y TERMINALES DE CABLES: WIRING DE INSTRUMENTACIN - PARTE 2 - 2

    Diferentes estilos de borneras son proveidas por diversos fabricantes para las diferentes necesidades de cableado. Algunos bloques terminales o borneras, por ejemplo, tiene multiples niveles en lugar de solo uno. La siguiente figura muestra un terminal de dos niveles sin pernos de ajuste o "screwless".

    En la figura siguiente muestra una bornera de tres niveles con pernos de ajuste:

    Algunas borneras multinivel proveen la opcion de manejar "jumpers" internos para conectar dos o mas niveles.

    En otros casos las borneras pueden incluir mayores caracteristicas como led indicadores, switches, fusibles e incluso circuitos reset para breackers en espacios reducidos. La figura siguiente muestra una bornera con fusible:

  • En muchos instrumentos de campo, sin embargo, no cuentan con borneras como las que hemos venido hablando en este articulo sino que vienen con unos pernos de ajuste pero por compresion en las cabezas de dichos pernos. Cables relativamente gruesos pueden ser conectado a estos bornes sin mayores problemas si es que tenemos cuidado en realizar la compresion en toda la circunferencia de la cabeza del perno, como se muestra en la figura siguiente:

    El problema de realizar una compresion directa del perno hacia el cable (compresion de la cabeza perno) es que se somete a fuerzas de compresion y de corte. Como resultado, con el tiempo la punta del cable tiende a ser daana por multiples conexiones. Por otro lado, la tension del cable puede hacer tender girar (en muy pocos grados) el perno de ajuste, lo que hara que potencialmente se afloje con el tiempo.

    La mejor manera de realizar el conectorizado de las puntas de nuestro cableado en este tipo de bornes "screw-style" es primero instalar un terminal a compresion en las puntas. En la foto siguiente se muestra borneras screw-style que estan conectadas a cableado con terminales tipo compression-style:

  • Los terminales compression-style vienen en dos variadades: fork y ring (tipo tenedor y anillo). Como podemos mostrar en el siguiente grafico:

    Los terminales fork son faciles de instalar y remover, pero los terminales tipo ring son mucho mas seguros, desde no los podemos retirar tan facilmente evitando desconexiones por accidentes.

    Este tipo de terminales es incadecuado cuando tenemos cableado solido y gruedo. Aunque en primera instancia en cableado solido podria parecer que el terminal se adapta muy bien se tiene a perder tension con suma rapidez sobre todo cuando hay movimiento o vibracion. Los terminales a compresion solo deberan ser usados en cable multipar o par trenzado.

    La correcta instalacion de estos terminales compression-style requiere el uso de una herramienta especial de presan "crimping tool", como se muestra en la figura siguiente:

  • Siempre debemos tener en cuanta el calibre de cable que vamos emplear y ubicarlo en la seccion adeacuada de la herramienta, es decir si estamos presando un terminal para cable de 20 AWG entonces mos ubicaremos en la seccion 22 - 18 de la herramienta (para cables desde 18 hasta 22 AWG) tal como se muestra en la figura arriba. Por ultimo un prensado perfecto debera lucir como la fotografia siguiente:

    LA SEAL 4-20MA Y SU PROPORCIN A VARIABLES FISICAS: NUNCA ESTA DE MAS REPASARLO

    La forma mas popular para transmitir seales en instrumentacion industrial, aun hoy en dia, es el estandar 4 a 20 miliamperios DC. Esta es una seal estandar, que significa que la seal de corriente usada es usada proporcionalmente para representar seales de medidas o salidas (comandos).

    Tipicamente, un valor de 4 miliamperios de corriente representa 0% de medida, y un valor de 20 miliamperios representa un 100% de la medida, y cualquier otro valor entre 4 y 20 miliamperios representa un porcentaje entre 0% y 100%.

    Por ejemplo, si estamos calibrando un transmisor de temperatura a 4-20mA para medir rango de 50 a 250 grados C, podriamos representar los valores de corriente y temperatura como el siguiente grafico:

  • Esta seal de 4-20mA tambien es usada para sistemas de control para comandar posicionadores en una valvula de control o en variadores de velocidad. En estos casos, el valor de miliamperios no representa una medida del proceso, pero si un grado el cual el elemento final de control influye en el proceso. Tipicamente (pero no siempre !!) los 4 miliamperios comandan a cerrar la valvula de control o parar un motor, mientras que 20 miliamperios comandan a abrir totalmente una valvula de control o poner un motor a su maxima velocidad.

    Por tanto, casi todos (aun hoy en dia) sistemas de control usan dos diferentes seales de 4-20mA: una para representar variables de proceso (PV) y una para representar comandos hacia un elemento final de control (la variable manipulada o MV).

    La relacion entre estas dos seales depender enteramente de la respuesta del controlador. No hay razon para decir que las dos seales van a ser iguales, por que representan dos cosas totalmente diferentes. De hecho, si el controlador es de accion inversa, es totalmente normal que las dos seales sean inversamente proporcionales,

  • cuando la seal de proceso PV de incrementa va hacia el controlador de accion inversa entonces la seal de salida se decrementara. Si el controlador es puesto en modo "manual" por el operador, la seal de salida no sera automaticamente proporcionada a la seal de entrada PV del todo, en cambio esta seal sera totalmente manipulada a gusto del operador.

    Proporcionando seales 4-20mA a variables medidas

    Una seal 4 a 20 mA representa alguna seal en una escala de 0 a 100 en porcentaje. Usualmente, es una escala lineal, como:

    Siendo una funcion lineal, podemos usar la ecuacion de una recta para proporcional las seales medidas a sus respectivos valores de corriente:

    y = mx + b

    Donde: y = Salida del intrumento x = Entrada del Instrumento m = Pendiente de la recta b = punto de intercepto respecto a y (por ejemplo el "live zero" cero del rango del instrumento)

    Una vez determinada los valores adecuados para m y b, podemos entonces usar esta ecuacion lineal para predecir cualquier valor para y dado un valor x, y vice-versa. Esto sera muy util para nosotros cuando busquemos determinar el valor de seal 4-20mA de salida de cualquier transmisor, o la posicion de vastago de una valvula ente una

  • salida de seal 4-20mA, o cualquier otra correspondencia entre una seal 4-20mA y alguna variable fisica.

    Antes que podamos usar la ecuacion para cualquier proposito, debemos determinar los valores de la pendiente (m) y el intercepto (b) apropiados para el intrumento que deseamos aplicar la ecuacion. Luego, veremos algunos ejemplos para hacer esto.

    Para la ecuacion lineal mostrada, podemos determinar el valor de la pendiente (m) dividiendo el "rise" entre el "run" es decir los rangos en miliamperios (4-20mA) y rango de apertura (0 -100 %).

    Para calcular el intercepto (b), todo lo que necesitamos hacer el resolver la ecuacion en un punto determinado (x - y). En este caso probamos el punto (0,4) es decir a 0% tenemos 4 miliamperios y calculamos:

    Ahora que tenemos nuestra ecuacion completa podemos describir la relacion entre la seal 4-20mA y un seal de apertura 0-100%, podemos usarla para determinar cuantos miliamperios representan cuaquier porcentaje de seal. Por ejemplo,

  • supongamos que necesitamos convertir un porcentaje de 34.7% a su correspondiente seal de corriente de 4-20mA, como se representa en la siguiente grafica

    Entonces haramos algo como esto:

    Por tanto, 34.7% es equivalente a 9.552 miliamperios en una rango de seal de 4-20mA.

    CONTROLADORES Y SU FUENTE DE CORRIENTE DE 4-20MA: COMO SE MANEJAN LO ELEMENTOS FINALES DE CONTROL?

    La forma mas simple donde encontramos seales de 4-20 mA es cuando las usamos para enviar seales de salida por un controlador, enviando esta seal hacia el elemento final de control. Aqui, el controlador provee energia y seal con informacin hacia el elemento final de control, el cual acta como una carga electrica. Para ilutrar esto, consideremos el ejemplo siguiente en donde el controlador envia un sial de 4-20mA a un convertirdor de seal I/P (corriente-presin), el cual entonces maneja la valvula de control matemticamente.

  • Este controlador en particular tiene dos displays digitales, uno para la variable de proceso (PV) y otro para el setpoint (SP), con un bargraph (grafico de barra) para mostrar el valor de la seal de salida (OUT). Un pulsador provee al operador la manera para que pueda cambiar entre modo Automatico y Manual (A/M), mientras los dos otros botones proveen un decremento e incremento del valor de setpoint (en modo Automatico) o el valor de salida (in modo Manual).

    Dentro del controlador, una fuente de corriente provee los 4-20mA DC para el convertidor I/P. Como todas los fuentes de corriente, su proposito es mantener la corriente en el "lazo" sin tener en cuenta la resistencia del circuito y cualquier fuente de voltaje externa. A diferencia de una fuente de corriente constante, una fuente de corriente "dependiente" (representada por una forma de un rombo en lugar de un circulo) varia el valor de corriente de acuerdo a algun estimulo externo. En este caso, el calculo matematico del controlador (en modo Automtico) o un valor fijado por el operador (modo Manual) le dice a la fuente de corriente cuanto corriente DC debe mantener en el circuito.

    Por ejemplo, si el operador cambia a modo Manual y fija el valor a 50%, la cantidad adecuada para este valor en porcentaje seria 12 mA (exactamente la mitad entre 4mA y 20mA). Si todo trabaja adecuadamente, la corriente en el "lazo" hacia el convertidor I/P deberia ser exactamente 12mA sin importar algun pequeo cambio en la resistencia del cable, de la bobina del I/P, o cualquier otra perturbacion: la fuente de corriente dentro del controlador "luchar" tanto como pueda para mantener la corriente en un valor fijo sin variaciones. Esta corriente, crea en la bobina dentro del convertidor I/P un campo magnetico para actuar sobre un mecanismo neumatico y producir 9 PSI de presion de salida hacia la valvula de control (9PSI es exactamente la mitad entre 3 PSI y 15 PSI de presion). De modo que esto debera mover la valvula de control en un 50% de apertura o posicin.

  • Los detalles de la fuente de corriente interna del controlador no suelen ser muy "complicadas". Usualmente, toman la forma de un circuito con amplificadores operacionales.

    Nuestro escenario seria igual si es que reemplazamos el convertidor I/P y la vlvula de control con un variador de velocidad y un motor. Desde la perspectiva del controlador, la unica diferencia seria que ya no se tendria una carga inductiva sino una carga resistiva. La resistencia de entrada del variador de velocidad convierte la sel de 4-20mA en una seal de voltaje (tipicamente 1-5v, pero no siempre). Este seal de voltaje entonces contituye un comando para decirle al modulador de potencia "cuanta" energia electrica debe dar al motor para llegar a una determinada velocidad.

    En este caso, el variador de velocidad tiene un circuito de potencia que tiene una toma trifasica AC y la convierte a potencia DC a un rango de voltaje variable (ese nivel de voltaje es controlado por la seal 4-20 mA que bota el controlador). Otro estilo de variador de velocidad es uno que tiene una toma AC y tiene una salida trifasica AC a un voltaje y frecuencia variable para potencia en un motor AC de induccion. Este tipo de variadores de velocidad son usualmente llamados "variador de frecuencia" o VFD.

    TRANSMISORES 4-WIRE O DE CUATRO HILOS: LA FUENTE SIEMPRE APARTE!!

    Las seales de corriente DC pueden tambien son usadas para comunicar informacion de mediciones de proceso desde los transmisores hacia los controladores, indicadores, registradores, alarmas, y otros dispositivos de entrada. Recalquemos que el proposito de un transmisor es sensar alguna variable fisica (como presion, temperatura y se entiende que tiene dentro un sensor) y luego reportar la cantidad medida en forma de seal electrica, en este caso de 4 a 20 miliamperios de corriente DC proporcional a la cantidad medida.

    La forma mas simple es donde el transmisor tiene dos terminales para los cables de seal de 4-20mA y dos terminales mas donde se conectara un fuente de energia.

  • Estos transmisores son llamados "4-wire" "de cuatro hilos" o "auto-alimentados". La seal de corriente del transmisor se conecta a los terminales de entrada de la variable de proceso en el controlador para completar la adquisicion de la seal.

    Tipicamente, los controladores no son equipados para aceptar directamente entradas de seales en miliamperios, pero si seales de voltaje. Por esta razon, nosotros debemos conectar un resistencia de presicion a traves de los terminales para convertir la seal de 4-20mA a un voltaje estandarizado que el controlador puede entender. Una rango de seal de voltaje de 1 a 5 voltios es estandar, aunque algunos modelos de controladores usan un rango diferente de voltaje y por tanto diferentes valores de resistencias de presicion. Si el rango de voltaje es de 1-5 voltios y el rango de corriente es 4-20mA, el valor de la resistencia de presicion debe ser de 250 Ohms.

    Desde que estamos hablando de un controlador digital, la entrada de voltaje en los terminales del controlador es interpretada por un circuito convertidor analogo-digital (ADC), el cual convierte la medida de voltaje en un numero digital que el microprocesador del controlador pueda interpretar y trabajar.

    En algunas intalaciones, la alimentacion del transmisor es proveida por dos cables adicionales conectados a una fuente de poder localizada en el mismo panel del controlador:

  • La desventaja obvia de esta estructura es que se necesita dos hilos mas en el cable. Mas hilos (o pares de hilos) significan que el cable tendra que ser de mayor diametro y mas caro para la longitud dada. Los cables con mas hilos requeriran un metrado mayor de conduit para protegerlos, y todos los paneles de cableado deberan contener mas borneras o bloques terminales para ordenar los hilos adicionales.

    Si no existe una fuente de energia electrica en donde se localiza el transmisor en planta, sera necesario tender los 4 hilos para poner en servicio al transmisor.

    TRANSMISORES 2-WIRE O DE DOS HILOS: EL VOLTAJE SIEMPRE JUNTO CON LA CORRIENTE 4-20MA

    Es posible combinar la energia elctrica y la comunicacin analogica sobre el mismo par de cables usando 4-20mA DC, si diseamos el transmisor para ser "loop powered" o "alimentado por el lazo". Un transmisor loop-powered se conecta al controlador del proceso de la siguiente manera:

  • Aqui, el transmisor no es realmente una fuente de corriente como en un transmisor de cuatro hilos. A cambio, un transmisor de dos hilos es diseado para actuar como un regulador de corriente, limitando la corriente al valor que representa la medida de proceso, mientras se apoya en una fuente remota de poder para promover el flujo de corriente. Debemos darnos cuenta, la direccion de la flecha en simbolo de la fuente de corriente dependiente del transmisor, y como se relaciona con los signos de la polaridad del voltaje. Mirando en el articulo anterior, la imagen de un circuito de un transmisor de 4 hilos para comparar. La fuente de corriente en este transmisor loop-powered o de "dos hilos" en realidad se comporta como un carga electrica, mientras que la fuente de corriente en un transmisor de 4 hilos funciona como realmente una fuente de corriente.

    Un transmisor loop-powered toma la energia del voltaje mnimo y corriente en sus dos terminales. Con una tipica fuente de voltaje empezando con 24 voltios DC,y una caida de voltaje mximo a traves de la resistencia de 250 Ohm en el controlador de 5 voltios DC, el transmisor deberia siempre tener al menos 19 voltios disponibles en sus terminales. Dando el extremo inferior del rango de 4-20mA, el transmisor deberia siempre tener al menos 4mA de corriente para funcionar. Por tanto, el transmisor siempre tendr una cierta cantidad de energia electrica disponible en el cual operar, mientras que la corriente regulada representa la medida del proceso.

    Internamente, el hardware de un transmisor de 2 hilos se parece al diagrama de abajo. Demonos cuenta que todo lo mostrado con lineas punteadas en el siguiente diagrama representa el transmisor de dos hilos de la figura anterior:

    Todo la circuiteria de sensado, scalado, y acondicionamiento de salida dentro del transmisor debe ser diseada para funcionar a menos de 4mA de corriente DC, y a un "modesto" voltaje en los bornes. Para crear un lazo de corriente de mas de 4mA (o lo que el transmisor hace para abarcar todo el rango de seal 4-20mA), el transmisor usa un transistor para derivar (bypass) corriente extra de un terminar hacia el otro tanto

  • como necesita para hacer que la corriente total indicada por la medida del proceso. Por ejemplo, si la corriente de operacion interna en el transmisor es solo 3.8mA, y debe regular la corriente de lazo a un valor de 16mA para representar una condicion de 75% de medida de proceso, el transistor derivar 12.2mA de corriente.

    Una cantidad muy baja de potencia electrica disponible un los terminales de un transmisor de 2 2 hilos limita su funcionalidad. Si el transmisor requiere mas energia electrica que puede enviar con 4 miliamperios y 19 voltios (minimos de cada uno), la unica solucion es usar un transmisor de 4 hilos donde la energia esta separada de la seal de 4-20mA. Un ejemplo de un transmisor de proceso que debe ser de 4 hilos es en un analizador quimico como un cromatografo, requiriendo la energia suficiente para operar un calentador electrico, una valvula solenoide, y una computadora "on-board" para procesar los datos del sensor. No hay manera de operar una maquina compleja como un cromatografo moderno con solo 4 miliamperios y 19 voltios!!.

    Los primeros transmisores industriales actuales no eran capaces de operar en niveles tan bajos de energa elctrica, por lo que utilizaba un estndar diferente de la seal actual: de 10 a 50 miliamperios CC. El suministro de alimentacin de lazo para estos transmisores vari ms de 90 voltios para suministrar energa suficiente para el transmisor. Por temas de seguridad seguridad hecho el estndar desde 10 hasta 50 mA inadecuado para algunas instalaciones industriales y circuitos microelectrnicos modernos se pudo reducir a un menor consumo de energa haciendo que el estndar de 4-20 mA sea en la prctica el mas usado en casi todos los tipos de transmisores de proceso actualmente.

    SOLUCIN DE PROBLEMAS EN LAZOS DE CONTROL: CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD PARA MEDIR CORRIENTE

    Un principio fundamental en la solucin de problemas en sistemas de instrumentacin es que todos los instrumentos tienen al menos una entrada y al menos una salida, y que las salidas deberian exactamente corresponder a las entradas. Si la salida de un instrumento no esta adecuadamente correspondiendo a su respectiva salida acorde la funcion de diseo del instrumento, entonces podemos intuir que algo malo esta pasando con ese instrumento.

    Consideremos las entradas y salidas de varios instrumentos comunes: transmisores, controladores, indicadores y vlvulas de control. Cada uno de estos instrumentos toman informacin (entrada) de alguna forma, y generan (salida) informacin en alguna forma. En cualquier intrumento de un "lazo", la salida de un instrumento

  • alimenta a la entrada del siguiente, de tal manera que la informacin se transmite de un instrumento a otro.

    Al interceptar la informacin comunicada entre los componentes de un sistema instrumentado, nosotros podemos localizar y aislar las fallas. Para entender adecuadamente esta informacion interceptada, debemos entender las entradas y las salidas desde las perspectiva del instrumento y sus funciones basicas.

    La siguiente grafica muestras las entradas y salidas mas comnmente encontradas en sistemas de control:

    Para revisar un buena correspondencia entre las entradas y salidas de un instrumento, debemos poder usar de buena forma equipos de testeo o prueba para interceptar las

  • seales que entran y salen de estos instrumentos. Para instrumentos basados en seales de 4-20mA, esto significa que debemos poder usar medidores de seales elctricas de manera precisa ya sea corriente o voltaje.

    Usando un miliamperimetro estndar para medir un lazo de corriente

    Desde que las seales medidas se representan por una corriente electrica en lazos de instrumentacion, un herramienta obvia usada para la solucion de problemas es un Multimetro capaz de medir de manera precisa miliamperios DC. Desafortunadamente, sin embargo, hay una desventaja cuando usamos multimetros: debemos "romper" el circuito al momento de conectar en serie el multimetro para medir la corriente, y esto significa que la corriente caer a 0 mA hasta que el multimetro sea conectado (entonces caer a 0mA cuando el multimetro sea retirado del circuito tambien). Interrumpir la corriente circulante significa interrumpir el flujo de informacion transmitida por esa corriente, que puede ser la medida del proceso o una seal que controla un elemento final de control. Esto tendr efectos negativos en el sistema de control a menos que se sigan los procedimientos adecuados.

    Antes de "romper un lazo" para conectar el multimetro, uno primero debe advertir a todo el personal interesado que la seal ser interrumpida al menos dos veces, cayendo a un valor de -25% cada vez. Si la seal a ser interrumpida viene de un transmisor de proceso a un controlador, el controlador debera ser puesto en modo Manual entonces no causar desarreglos en el proceso (como mover el elemento final de control abruptamente cuando se pierda la seal de proceso o PV). Tambien, las alarmas del proceso deberan ser desabilitadas temporalmente para que estas no causen alerta o pnico. Si esta seal de corriente tambien controla alarmas de paradas de emergencia, estan tambien deben ser temporanmente deshabilitadas!!!.

    Si la seal de corriente a ser interrumpida es un seal de comando de un controlador hacia un elemento final de control, el elemento final de control o bien necesita ser maniobrado manualmente para mantenerse fijo, mientras que la seal varia, o bien se necesitara poner activo su "bypass" completamente. Si el elemento final de control es una vlvula de control, esta tipicamente tiene un arreglo de vlvulas manuales que hace la funcin de bypass como se muestra en la figura siguiente:

  • Dado que el bypass operado manualmente ahora realiza la funcin de la vlvula de control, el operador debe mirar con cuidado abriendo y cerrando segun convenga para mantener estable el control del proceso.

    Las vlvulas de bloqueo y bypass para un control de flujo de gas puede ser apreciado en la siguiente foto:

    Teniendo en cuenta las labores de seguridad para interrumpir la seal de control en una vlvula de control en un proceso "vivo", podemos ver que la tarea que aparentemente es simple de conectar un miliamperimetro en serie a una seal de corriente de 4-20mA NO ES tan facil como a primera vista parece. Pero mejores formas deberan existir no?

    Una mejor manera para medir una seal de 4-20mA sin interrumpir el lazo es hacerlo magneticamente, usando un miliamperimetros "clamp-on" o de "pinzas" (algunos lo llaman pinza amperimetrica). Sensores modernos en base al efecto Hall son altamente sensibles y precisos para monitorear la campos magneticos debiles creados por el paso de pequeas corrientes DC en el cableado.

  • Los amperimetros usando sensores de efecto Hall son completamente no intrusivos porque ellos solamente se procede a colocar la pinza alrededor del cable, no siendo necesario "romper" el circuito. Un ejemplo de una instrumento para medir miliamperios con pinzas es el Fluke modelo 771, mostrado en la siguiente fotografa:

    Demonos cuenta como este miliamperimetro no solo registra la corriente en el lazo (3.98 mA como muestra la fotografia), sino que tambien convierte el valor de milimaperios en un rango de porcentaje, siguiendo el estantar 4-20mA. Una desventaja para tener en cuenta en miliamperimetros de pinzas es que son suceptibles a perturbaciones por fuertes campos magneticos externos. Campos magneticos estacionarios (por ejemplo provenientes de equipos DC energizados magnetizados) pueden ser compenzados ajustando el "zero" del instrumento en una orientacin similar antes de medir el lazo de corriente a travs del cable.

  • Usando diodos de prueba para medir una lazo de corriente

    Otra manera de medir una seal de 4-20mA sin interrumpirla es usando un diodo rectificador, originalmente instalado en lazo cuando fue comisionado. Un diodo "test" puede ser puesto en cualquier lugar en serie con el lazo. Durante una normal operacion, en el diodo caera aproximadamente 0.7 voltios, caida tipica en cualquier diodo recticador de silicio cuando es polarizado. El siguiente esquema muestra un diodo instalado en un lazo de un transmisor de dos hilos:

    Si alguien conecta el miliamperimetro en paralelo con este diodo, la baja resistencia de entrada dentro de amperimetro (casi nula) corto-circuitara al diodo evitando que cualquier voltaje sustancial caiga al pasar por el. Por tanto como la caida de voltaje es casi nula, el diodo efectivamente "turns off" o se corta no permitiendo la circulacion de corriente, lejando la corriente del lazo en su totalidad pasar a traves del amperimetro.

    Cuando el miliamperimetro es desconectado, el requisito de caida de 0.7 voltios para "turn on" o activar el diodo, y toda la corriente pasar nuevamente a traves del diodo. Entonces en ningun momento el lazo de corriente fue interrumpido, lo cual significa que podemos tomar todas las medidas que querramos y no preocuparnos de generar falsos indicadores del proceso (como alarmas, y perturbaciones de las seales).

    Este diodo debe ser instalado cerca de la caja de paso o "junction box", entre terminales o borneras o incluso incorporados dentro del transmisor mismo. Algunos

  • transmisores de proceso tienen un par extra de terminales etiquetadas como "test" para este proceso exactamente. Un diodo ya instalado en un transmisor, y estos terminales "test" sirven como punto para conectar el miliamperimetro.

    La siguiente figura muestra un ejemplo de este caso en un transmisor de presin diferencial modelo Rosemount 3051:

    Date cuenta que dos puntos estan etiquetados como TEST abajo y a la izquierda de los pernos terminales principales donde el lazo es conectado. Conectando un amperimetro en estos dos puntos permiten una medida directa de seales de corriente de 4-20mA sin tener que desconectar de ninguna manera cualquier conexion en el lazo.

    Solucin de problemas de lazos de corriente con mediciones de voltaje: cuando lo nico que tenemos es un voltimetro

    Si en caso de que no podamos interrumpir el lazo por cuestiones operativas, y que ningun componente (diodo) es pre-instalado en el lazo, y ademas si no tenemos un instrumento para medir el efecto hall como una pinza amperimetrica, un instrumentista puede aun realizar diagnosticos para solucion de problemas usando nada ms que un Volimetro DC. Aqui, sin embargo, debemos tener mucho cuidado a la hora de interpretar estas medidas de voltaje, desde que estamos medidas pueden no ser directamente proporcionales a la corriente del lazo.

    En el siguiente ejemplo vemos un lazo de 4-20mA, donde el controlador envia una seal de salida a un convertidor I/P.

  • Aqui, no hay una resistencia estandarizada para las bobinas del convertidor I/P, y por tanto la cantidad de caida de voltaje a traves de los terminales del I/P para cualquier cantidad de corriente de lazo ser unica para todos los modelos de convertidores I/P. El convertidor I/P Fisher modelo 567 fabricado para seales 4-20mA tiene una resistencia de bobina nominal de 176 ohms. Por tanto, nosotros esperaremos ver una caida de voltaje de aproximadamente 0.7 voltios a 4mA y un caida de voltaje aproximada de 3.5 voltios a 20mA a traves de los terminales del I/P. Desde que los terminales de salida del controlador esta directamente en paralelo con los terminales del I/P, esperaramos ver aproximadamente el mismo voltaje tambien alli (ligeramente mayor debido a la resistencia del cable). La falta de conocimiento preciso de la resistencia de bobina del I/P hace dificil decir exactamente cuanta corriente est en el lazo para cualquier medida de voltaje que tomamos con un voltimetro. Sin embargo, si nosotros conocieramos aproximadamente la resistencia de la bobina del I/P, podemos al menos obtein un estimado de la corriente del lazo, la cual es usualmente suficiente para propositos de diagnstico.

    Si la resistencia de la bobina del I/P fuera completamente desconocida, la medida de voltaje vendra a ser una cantidad totalmente inutil para determinar la corriente en el lazo. La medida de voltaje sera util solo para determinar la continuidad del lazo (por ejemplo si hay una interrupcion en el cableado entre el controlador y el I/P o no).

    Otro ejemplo en consideracin es este transmisor loop-powered de 4-20mA y un controlador, donde el controlador provee la energia DC al lazo:

  • Es muy comn encontrar controladores con su propia fuente para alimentar al lazo, debido a la gran popularidad de los transmisores loop-powered (2 hilos). Si sabemos que el transmisor requiere un voltaje DC en algun lugar del circuito para alimentarlo, eso nos hace pensar que deberiamos incluirlo en el controlador cierto? :D.

    La unica medida de voltaje que es directamente y precisamente proporcional a la corriente del lazo es el voltaje a traves de la resistencia de precision de 250 Ohm. Una corriente de lazo de 4mA provocar un caida de voltaje de 1 voltio, con 12mA caer 3 voltios, con 20mA caer 5 voltios, etc.

    La medida de voltaje a traves de los terminales del transmisor mostrar la diferencia del voltaje entre los 26 voltios DC de la fuente y la caida de voltaje a traves de las resistencia de 250Ohm. En otras palabras, El voltaje en los terminales del transmisor es simplemente la resta del voltaje de la fuente de 26 voltios menos la caida de voltaje en la resistencia. Esto hace que el voltaje en los terminales del transmisor sea inversamente proporcional a la corriente del lazo: el transmisor mira aproximadamente 25 voltios a 4mA de corriente de lzo (0% de seal) y aproximadamente 21 voltios a 20mA de corriente de lazo (100% de seal). El usar el termino "aproximado" es totalmente intencional aqui, para fuente de lazo energizados son por lo general no regulados. En otras palabras, los "26 voltios" es aproximadamente y sujetos a cambios!!!.

    Una de las ventajas de los tranmisores loop-powered es que la fuente de voltaje es totalmente irrelevante, siempre y cuando exaceda el valor necesario para asegurar una adecuada energizacion del transmisor. Si la fuente de voltaje se desviar por alguna razon, no tendra impacto en la medida de la seal dado que el transmisor esta construido con reguladores de corriente, las cuales en el lazo ante cualquier valor siempre representa la medida del proceso, sin tener en cuenta los pequeos cambios en la fuente de voltaje del lazo,cableado, resistencias, etc. Este rechazo a los cambios

  • de voltaje en la fuente de alimentacion nos dice que la fuente no necesita ser regulada, aunque en la practica es muy raro.

    Ahora, esto nos lleva aun problema comun en los transmisores loop-powered 4-20mA: mantener el voltaje suficiente en los terminales del tranamisor. Recalquemos que un transmisor loop-powered se basa en la caida de voltaje en sus terminales (combinado con una corriente de al menos 4 mA) para poder trabajar internamente. Esto significa que el voltaje en sus terminales no debe ser menor a un minimo, o sino el transmisor no tendr suficiente energa para hacer su funcionamiento normal. Esto hace que sea posible "dejar de hambre" de voltaje al transmisor si la tension en el lazo es insuficiente y/o si la resistencia del lazo es excesiva.

    Para ilustrar como esto puede ser un problema, consideremos el siguiente medida de una lazo 4-20mA, donde el controlador provee solo 20 voltios DC al lazo, y un indicador incluido en el circuito provee al operador la medida del transmisor:

    El indicador tiene su propia resistencia de 240 Ohm para proveer una seal de 1-5 voltios para el sensado en el indicador. Estos significa que la resistencia total ha crecido de 250 Ohm a 500Ohm (mas la resistencia del cableado). A corriente maxima (20mA), esta resistencia total hara caer (al menos) 10 voltios, dejando 10 voltios o menos en los terminales del transmisor para energizarlo. Con 10 voltios es muy probable que no sea suficiente para que el transmisor operare exitosamente, aunque, el transmisor de presion Rosemount modlo 3051 por ejemplo, requiere de minimo 10.5 voltios en sus terminales para operar.

    Sin embargo, el transmisor operar solo en un hasta alguno niveles de corriente del lazo, cuando la corriente del lazo es solo 4mA, por ejemplo, la suma de caidas de voltajes a traves de las dos resistencis de 250 Ohms ser solo 2 voltios, dejando cerca de 18 voltios en los terminales del transmisor: mas que suficiente para practicamente cualquier modelo de transmisor loop-powered pueda operar. Por tanto, el problema de

  • insuficiencia de fuente de voltaje solo se manifiest cuando el proceso mide cerca del rango del 100%. Esto podra ser un problema serio para realiar diagnostico, desde que solo aparece durante unas condiciones de proceso y no en otras. Un instrumentista puede testear solo las fallas de cableado (perdida de coneciones, terminales corroidos, etc) y nunca pero nunca encontrar el problema.

    Cuando un transmisor loop-powered esta falto de voltaje, su funcionamiento es erroneo. Esto es especialmente cierto en transmisores "inteligentes" con un microprocesador dentro. Si el voltaje en los terminales cae por dejo de lo requerido, el microprocesador simplemente se apagar. Como resultado tendremos un ciclo lento de on/off de la corriente del transmisor, lo cual hace creer al controlador que la variable de proceso esta creciendo enormemente. El problema desaparece, tan pronto como el voltaje en los bornes sea mayor al minimo para trabajar.

    Usando calibradores de lazo: medicin, generacin y simulacin

    Los instrumentos de testeo electronicos llamados "calibradores de lazo" son fabricados con proposito expreso "solucionar problemas en lazos de corriente 4-20mA". Estos instrumentos verstiles son generalmente capacez no solo de medir corriente, sino que tambien generar corriente hacia dispositivos pasivos en un lazo, y tmbien simular la operacion de un transmisor "loop-powered" 4-20mA.

    Un calibrador muy popular es el Altek modelo 334A, con bateria recargable, handheld con mando giratorio para el ajuste y cambio modos para medir/generar corriente. La siguiente figura muestra como el calibrador sera usado para medir corriente en un lazo de entrada de seal vivo o en operacion.

  • Aqui, el cableado es interrumpido en el hilo negativo del transmisor, y el calibrador es conectado en serie para medir corriente. Si el lado tiene un diodo de testeo instalado, el calibrador podria ser conectado en paralelo con el diodo para realizar la misma funcion. Debemos tener en cuenta la polaridad del calibrador de modo que este en relacion con el lazo: el calibrador esta actuando como un dispositivo pasivo (como una carga, mas no como una fuente), el hilo positivo del lazo debe conectarse al cable de prueba rojo y el hilo negativo con el cable de prueba negro.

    El mismo calibrador de lazo puede ser usado como fuente (o controlador) de seal de 4-20mA en lugar de un instrumento para probar las funciones de un instrumento independientemente. Aqui, vemos un calibrador Altek usado como fuente de corriente enviando una seal de 16.00mA como PV (variable de proceso) de entrada del controlador.

  • Ningun transmisor necesita ser incluido en la grafica, dado que el calibrado ha ocupado su lugar. Demonos cuenta como la funcion del calibrador ahora es un fuente activa de corriente y no una carga pasiva como lo fue en el ejemplo anterior. No solo provee la informacion (regular corriente), sino que tambien provee la energia al lazo. La fuente de energia DC dentro del controlador no es usada para este lazo, por el calibrador esta en "modo fuente" que provee la energia necesaria para controlar la corriente a traves de la resistencia de 250 ohm.

    Un metodo alternativo de proveer una seal de corriente conocida y emular el comportamiento de un transmisor es poner el calibrador de lazo en modo "simulacion". En este modo, el calibrador sirve para regular la corriente del lazo a un determinador valor, pero no genera algun voltaje para controlar la corriente. En vez de ello, es un elementro pasivo que necesita de algn voltaje externo en el lazo de corriente.

    Demonos cuenta que la polaridad del calibrador esta en relacion con el controlador: la cable de prueba rojo esta conectado al terminal positivo del lazo mientras que el cable negro se conecta al terminal de entrada positivo. Aqui, el calibrador actua como una carga, exactamente como un transmisor. La unica fuente de energa en este circuito es los 24 voltios DC dentro del controlador: la misma fuente que provee energa al lazo cuando el transmisor esta conectado.

    Este modo "simulacion de transmisor" es especialmente til para testear un lazo 4-20mA en la entrada del un controlador.

    Un calibrador antiguo aun familiar con muchos instrumentistas en estos tiempos es el clasico Transmation model 1040.

  • Otros ejemplos de calibradores de lazo antiguos incluyen el Nassau model 8060 (arriba) y el BOddle Versa-Cal (abajo).

    Un calibrador de lazo moderno es el Fluke modelo 705, como en la siguiente foto:

  • Con este calibrador los modos medicin, generacin, y simulacin se acceden presionando repetidamente un boton, mostrandose el modo seleccionado en la pantalla.

    CALIBRACIN VERSUS RE-RANGING "CAMBIO DE RANGO"

    Cada instrumento tiene al menos una entrada y una salida. Para un sensor de presion, la entra entrada sera alguna presin de fluido y la salida debera ser una seal elctrica. Para un indicador de lazo, la entrada sera una seal de corriente de 4-20mA y la salida debera ser un display para operador. Para un variador de velocidad de un motor, la entrada sera una seal electrnica y la salida sera una potencia elctrica para el motor.

    La calibracin y la rango son dos tareas asociadas con establecer un correspondencia precisa entre la seal de entrada de cualquier instrumento y su respectiva seal de entrada.

    Calibracion versus re-ranging "cambio de rango"

    El calibrar un instrumento significa revisar y ajustar (si es necesario) su respuesta para que la salida corresponda con presicin a su salida en un rango especifico determinado. Para hacer esto, uno debe exponer la entrada del instrumento con estimulos los cuales sabremos de antemano la cantidad a presin. Para un indicador o transmisor de presin esto significara someter el instrumento de presin a presiones de fluido conocidas y comparar la respuesta del instrumento con las cantidades de presion de estimulo. No podemos realizar una verdadera calibracin sin comparar la respuesta del instrumento ante estimulos conocidos.

  • El ranguear un instrumento significa fijar o configurar los valores de rango bajo y alto por tanto respondera con la sensitividad deseada ante los cambios de entrada. Por ejemplo, un transmisor de presion seteado a un rango de 0 a 200 PSI (0 PSI=4 mA de salida y 200 PSI = 20 mA de salida) podera ser re-rangueado para responder a una escala de 0 a 150 PSI (0 PSI=4 mA de salida y 150 PSI = 20 mA de salida).

    En instrumentos anlogos, re-ranguear podra estar (usualmente) solo por una re-calibracin, desde que los mismos adjustes son usados para realizar ambos propsitos. En instrumentos digitales, la calibracin y el rango son ajustes tipicamente separados (por ejemplo es posible re-ranguear un transmisor digital sin tener que realizar una recalibracin completa), por lo que es muy importante tener la diferencia.

    AJUSTES DE ZERO Y SPAN EN TRANSMISORES ANALGICOS: SIEMPRE NOS TOPAREMOS CON ALGUNO

    El proposito de la calibracion es asegurar que la entrada y la salida de un instrumento correspondan el uno del otro a traves de todo el rango de operacion. Podemos expresar este concepto de forma grfica, mostrando como la entrada y la salida de un instrumento debera relacionarse:

  • Esta grfica muestra como a cualquier porcentaje de entrada le corresponde cualquier porcentaje de salida, en todo el rango de 0% al 100%.

    Los cosas se ponen mas complicadas cuando los ejes de entrada y salida son representadas por otras medidas que no son "porcentajes". Pensemos en un transmisor de presin, un dispositivo designado para sensar la presin de un fluido y como salida una seal electrnica que corresponde a la presin. En la siguiente grfica para el transmisor de presin con un rango de entrada de 0 a 100 PSI y una salida de seal de 4 a 20 miliamperios (mA) de corriente:

    A pesar de que la grfica aun es lineal, el cero de presin no es igual al cero de corriente. Esto se llama "live zero" o cero vivo, porque el 0% de medida (0 PSI presin de fluido) corresponde a una "non-zero" "live" seal de corriente es decir a 4mA.

    Cualquier funcin lineal puede ser expresada con la siguiente ecuacin de la recta: y = mx + b

  • Donde: y = Posicion vertical de la grafica, o eje Y x = Posicion horizontal de la grafica, o eje x m = pendiente de la recta b = punto de interseccion entre la recta y el eje vertical (y), intercepto

    Si representamos la entrada de presion en unidades de PSI (x) y representamos la salida de corriente en unidades de miliamperios, podemos escribir una ecuacin para este instrumento como:

    y = 0.16x + 4

    En el instrumento actual (el transmisor de presin), hay dos tipos de ajustes los cuales nos van a permitir igualar (o casi) el comportamiento del transmisor con su ecuacion de recta representativa. Un ajuste es llamado "zero" mientras que el otro es llamado "span" . Estos dos ajustes corresponden exactamente a los terminos b (intercepto) y m (pendiente) de la ecuacion lineal, respectivamente: el "zero" modifica la funcin del instrumento verticalmente, mientras que el "span" varia la pendiente de la funcin de la grfica. Solo ajustando el zero y el span podemos configurar el instrumento para cualquier rango de medida dentro de los limites especificados.

    La relacion de la ecuacin de la recta y los ajustes de zero y span de un instrumento nos muestra como en realidad se realizan los ajustes para la calibracin de cualquier instrumento. Un ajuste de "zero" siempre se logra agregando o quitando alguna cantidad, exactamente como el parametro "b" o intercepto (en eje y) agrega o sustrae al producto de mx. Un ajuste de "span" se realiza siempre multiplicando o dividiendo alguna cantidad, exactamente igual como lo hace la pendiente m con la variable de entrada x.

    Los ajustes de zero tipicamente toman uno o mas de las siguientes formas en un instrumento:

    - BIAS force (como el peso o esfuerzo aplicados a un mecanismo) - Desplazmiento mecanico (agregando o restando cierta contidad de movimiento) - Bias voltaje (agregando o restando cierta cantidad de potencial)

    Los ajustes de span tipicamente tomas una de estas formas: - Punto de apoyo de palanca (multiplicando la fuerza o movimiento)

  • - Ganancia de amplificadores ( multiplicando o dividiendo una seal de voltaje)

    Deberiamos haber notado que para casi todos los instrumentos analogos, el ajuste de zero y span son "interactivos". Esto quiere decir, el ajuste de uno de ellos afecta al otro. Especialmente, los cambios realizado cuando se ajusta el span casi siempre altera el punto zero del instrumento. Un instrumento con zero y span "vinculados" requiere de mucha mayor pecisin para ser calibrado, siendo necesario pasar varias veces entre los rangos minimos y mximos para un ajuste preciso.

    COMO ELIMINAMOS EL RUIDO EN SEALES DE INSTRUMENTACIN?: APLIQUEMOS EL "DAMPING" CORRECTAMENTE

    La mayoria de transmisores modernos (ambos analgicos y digitales) viene equipados con un caracteristica conocida como "damping" o amortiguacin. Esta caracteristica es esencialmente un filtro pasa bajos en serie con la seal, reduciendo la cantidad de "ruido" del proceso.

    Imaginemos que un transmisor de presin estan sensando la presin de agua a la salida de una bomba. El flujo de agua en la bomba tiende a ser extremadamente turbulenta, y cualquier sensor conectado para medir la presin en la descarga de la bomba interpretar esta turbulencia como violentas fluctuaciones de presin. Esto significa que la seal de salida de presin del transmisor tambien fluctuar, casuando que cualquier indicador o sistema de control asociado al transmisor registre mucho "ruido" de la presin de agua.

    El ruido de la seal de presin tiende a causar "problemas" en el control realimentado, desde que el sistema de control interpretar estas rpidas fluctuaciones como cambios reales de presin requeriendo la accin correctiva pertinente. Aunque es posible configurar algunos sistemas de control para ignorar ese ruido, la mejor solucin es corregir el problema en la fuente ya sea mediante la reubicacin de la lnea del

  • transmisor de presin en un lugar donde no haya mucha turbulencia, o de alguna manera evitar que esa turbulencia sea enviada como seal del transmisor.

    Desde que este ruido es tiene una mucha mayor frecuencia que los ciclos normales de presin en un proceso, es relativamente fcil recudir la cantidad de ruido en la seal del transmisor poniendo un filtro, es decir a la seal de salida que pase por un circuito filtro pasa bajos.

    Si aplicamos exitosamente el filtro a un transmisor de proceso, el resultado ser una seal mas "relajada" y por otro lado la seal de ruido que podemos apreciar solamente ser la propia de la presion del proceso, mientras que el efecto de turbulencia (o cualquier cosa que este causando el ruido) se reduce al minimo (o casi desaparece). En todo control de proceso, este tipo de filtro aplicado a la seal de medida es frecuentemente referido como "damping" porque su efecto es para "damp" o "calmar" los efectos del ruido en la seal.

    En transmisores digitales donde el damping es realizado por algoritmos digitales (ya sea una sofisticada rutina de filtrado digital o algo tan simple como poner los sucesivos valores de la seal en un bufer), el damping puede ser ajustado fijando un valor numrico en los parametros de configuracin del transmisor. En transmisores neumticos, el damping podra ser implementado instalando elementos viscosos en el mecanismo.

    La pregunta clave para un ingenierio o tcnico instrumentista viene a ser Cuanto de valor de damping voy a usar?. Un damping insuficiente permitir demasiado ruido para el sistema de control (causando tendencias y indicadores con ruido y un control errado), mientras que un excesivo damping causar que el transmisor "subestime" la importancia de los cambios bruscos del proceso real, es decir los cambios no producidor por ruido sino propios del proceso seran ignorados por transmisor. En mi experiencia hay una mala tendencia por los instrumentistas de aplicar un excesivo

  • valor de damping en los transmisores. Un transmisor con mucho damping puede causar que la grafica de tendencia se demasiado "suave" sin poder apreciar cambios reales del proceso, con lo que a primera vista parece ser bueno. Despues de todo, el punto en un sistema de control es mantener la variable de proceso muy cercana al valor de setpoint, por lo que ver una linea "realmente suave" de variable de proceso en la tendencia es realmente atractivo. Sin embargo, el problema con el damping excesivo es que el transmisor da una respuesta lenta a cualquier cambio brusco en la variable de proceso.

    En una grfica de tendencia dual de un transmisor de presin experimentando un brusco incremento de la presin muestra lo anteriomente explicado, donde una seal de transmisor sin damping se muestra en la parte superior y un seal "over-damped" o con mucho damping se muestra en la parte inferior (demonos cuenta que el desplazamiento vertical entre las tendencias es solo para fines de analizar la seal, realmente estaran traslapadas)

    Una cosa adicional es que en un ambiente de prueba a la hora de calibrar un transmisor, el damping debe ser puesto a su mnimo valor por lo que los resultados de la aplicacin de los estimulos en el transmisor son inmediatamente vistos. Cualquier cantidad de damping en el transmisor que se est calibrando solo causar un retraso en el procedimiento sin beneficio alguno.

    RANGOS (LRV Y URV) Y TRIM EN TRANSMISORES DIGITALES: SOLUCIN RPIDA DE PROBLEMAS Y CALIBRACIN

    El que los transmisores "inteligentes" contengan microprocesadores han sido un gran avance para la instrumentacin industrial. Estos disposivitos tienen la capacidad de realizar digansticos, gran presicin (debido a las compensaciones digitales a las no

  • linealidades del sensor), y la capacidad de poder comunicarse digitalmente con dispositivos host para reportar varios parametros.

    Un diagrama simplificado de un transmisor de presion "inteligente" se muestra en la siguiente figura:

    Es importante darnos cuenta de todos los ajustes en este dispositivo, y como se puede comparar con la realitva simplicidad de un transmisor de presin analgico:

    Demonos cuenta que la calibracin de transmisores analgicos se hace mediante dos nicos ajustes que son el "zero" y el "span". Claramente este no es el caso de transmisores inteligentes. No solo podemos configurar los valores de rango bajo y alto (LVR y UVR) en un transmisor inteligente, sino que tambien es posible calibrar los conversores analogos-digitales y digitales-analgicos independientemente cada uno. Lo que esto significa es que para realizar una calibracin de un transmisor inteligente el instrumentista requiere potencialmente realizar mas trabajo y un buena cantidad de ajustes que en los transmisores analgicos.

    Un error comn cometido por muchos estudiantes y tambien por instrumentistas experimentados es confundir la configuracin de rangos (LVR y URV) para realizar

  • una calibracin real. Solo por que digitamos un valor de LRV en un transmisor de presin en 0.00 PSI y su URV en 100.00 PSI no quiere decir necesariamente que registrar con presicin medidas en ese rango!. En el ejemplo siguiente explicaremos esta falencia.

    Supongamos que tenemos un transmisor de presin inteligente rangueado de 0 a 100 PSI con una salida analgica de 4-20 mA, pero el sensor de este transmisor de presin presenta problemas de presicin de sensado, quizas por un largo tiempo de uso, y cuando se le aplica una seal de entrada de 100 PSI genera una seal que el conversor analogo-digital solo la interpreta como 96 PSI. Asumiendo que todo lo demas en el transmisor esta en perfectas condiciones, con una perfecta calibracion, la seal de salida siempre tedr un error.

    Aqui podemos ver como la calibracin mas sofisticada en un transmisor digital podra ser corrupta a pesar de realizar una pefecta calibracin de los conversores anlogos-digitales y digitales-anlogos, y una perfecta configuracin del rango en el procesador. El microprocesador "piensa" que la presin aplicada es de 96 PSI, y responde acorde con esa lectura y tiene una seal de salida de 19.36mA. La nica manera que un instrumentista podra saber que este transmisor tiene una respuesta incorrecta a 100 PSI es en realidad aplicar un valor conocido de fluido de presin de 100 PSI en el sensor y darse cuenta de la respuesta incorrecta. La leccin aqui debera ser clara: la configuracin de los rangos minimos y mximos en un transmisor inteligente NO constituye una legtima calibracin de un instrumento.

    Por esta razn, los transmisores inteligentes siempre proveen la manera de llevar acabo la configuracin de la que llamamos "digital trim" en los conversores ADC y DAC, para asegurar que el microprocesador "mire" una correcta representacin del estimulo aplicado y estar seguro de que la seal de salida del procesador es convertida a presicin en corriente DC, respectivamente.

  • Es muy comn ver como algunos instrumentistas utilizan los parametros LRV y URV de una manera muy similar que los ajustes de zero y span en los transmisores analgicos para corregir errores como estos. Siguiendo esta metodologa, deberamos fijar el URV del transmisor con problemas en 96 PSI en vez de 100 PSI, entonces para una presin aplicada de 100 PSI nos dara 20mA de seal de salida que nosotros deseamos. En otras palabras, hacemos que el microprocesador "piense" que solo esta "viendo" 96 PSI, entonces al cambiar el URV siempre enviar la seal correcta. Esta solucin funciona hasta cierto punto, dado que si se realiza cualquier consulta digital al transmisor (por ejemplo, utilizando un protocolo de seal en analgica, como HART) dar lugar valores contradictorios, la seal de corriente representa todo la escala (100 PSI) mientras que el registro digital dentro del transmisor mostrar 96 PSI. La unica solucin para esto es "recortar" o "trim" el rango del convertidor analogo digital para que microprocesador en el transmisor "conozca" el verdadero valor de presion aplicado al sensor.

    Una vez que se ha realizado el "recorte" o "trim" en los convertidores de entrada y salida, por supuesto, el instrumentista es libre de reranguear el microprocesador tantas veces como el desee sin volver a re-calibrar. Esta capacidad es particularmente til cuando es necesario realizar un re-rangueo para condiciones especiales, como puesta en marcha de procesos y paradas donde los parametros del proceso suelen estan dentro de valores fuera de lo comn. Adems, un instrumentista puede utilizar un hand-held digital para comunicarse con el dispositivo y resetear los valores del LRV y URV a los valores deseados por el rea operativa sin tener que volver a realizar un calibracion del instrumento aplicando un estimulo fisico hacia el instrumento. Mientras que el trim (recorte) del rango de los conversores analogos-digitales-analogos sea buena, la presicin del instrumento seguir siendo buena con el nuevo rango. Con instrumentos analgos, la unica manera de cambiar a diferentes rangos de medidas era cambiar los ajustes del zero y span, los cuales necesitaban la re-aplicacion de estimulos fisicos en el dispositivo (una completa recalibracion). Aqui y solo aqui vemos que la calibracion no es necesaria en instrumentos inteligentes.

    Si la exactitud global de la medida deber ser verificada, podemos decir, que no hay un sustituto para una CALIBRACION REAL, y esto implica tanto el ajusto de parametros para los ADC y DAC.

  • CALIBRACIN DE TRANSMISORES PASO A PASO: INSTRUMENTOS ANALGICOS

    Como se mencion anteriomente, la calibracin refiere a ajuste de un instrumento de modo que su seal de salida corresponda (proporcionalmente) de manera precisa con su seal de salida en todo el rango configurado. En los siguientes artculos describiremos procedimientos para realizar una calibracin eficiente de diferentes tipos de instrumentos. Recalco que este es "mi prodecimiento" y por tanto puede existir otros procedimientos diferentes.

    Calibracin para Instrumentos Lineales

    El procedimiento simple de calibracin en instrumentos analgicos lineales es llamado el mtodo zero-and-span. Y se realiza los siguientes pasos:

    Aplica un estimulo con el valor del mnimo rango del transmisor (valor conocido y preciso), y luego esperemos que se estabilice.

    Mover el "zero" hasta que el instrumento registre en su lectura el valor del estimulo aplicado anteriormente (rango minimo) con presicin.

    Aplicar un estmulo con el valor del mximo rango del transmisor (valor conocido y preciso), luego esperaremos que la lectura se estabilice.

    Movemos el "span" hasta que el instrumento registre en su lectura el valor del estimulo aplicado anteriomente (rango mximo) con precision.

    Repita los pasos 1 hasta el 4 tantas veces como sea necesario para lograr una buena precision con las lecturas en todo el rango de lectura.

  • Una mejora de este procedimiento "crudo" es revisar la respuesta del instrumento en varios puntos entre los valores del rango mnimo y mximo. Un ejemplo comn de esto es llamado frecuentemente "five-point calibration" o "calibracion de cinco puntos", donde las lecturas del instrumento son revisadas a 0% (LRV), 25%, 50%, 75% y 100% (URV) del rango total.

    Independientemente de los puntos porcentaje elegidos para revisar o constratar. la meta es asegurar que hemos logrado (o al menos) un precisin mnima en todos los puntos a lo largo del rango, de manera que la lectura del instrumento nos de una buena confianza cuando lo vamos a instalar o poner en servicio.

    Incluso otra mejora respecto al procedimiento bsico de los cinco puntos es revisar la respuesta del instrumento a cinco puntos de calibracin tanto de subida en el rango como de bajada. Este tipo de calibracin es llamada calibracin Up-down. El propsito de este tipo de test es determinar si el instrumento tiene algun valor significativo de histresis: una falta de respuesta al cambio de direccin (los valores de subida, son diferentes a los valores de bajada).

    Algunos instrumentos anlogos proveen un forma de ajustar su linealidad. Este ajuste podra ser movido solo si es OBSOLUTAMENTE necesario. Muy a menudo, este ajuste de linealidad es muy sensitivo y complicado de manejar a simple pulso. El ajuste de linealidad del instrumento deber ser cambiado solamente si es que se requiere mayor presicion que no puede ser lograda a travez de todo el rango del instrumento (con zero y span).

    CALIBRACIN DE TRANSMISORES PASO A PASO: INSTRUMENTOS DIGITALES

    El procedimiento para calibrar un transmisor digital "inteligente" (tambien conocido como trimming), es un poco diferente que la calibracin de instrumentos analgicos. A diferencia de los ajustes de zero y span en instrumentos analgicos, las funciones de trim "bajo" y "alto" de un instrumento digital son tipicamente no interactivos.

    Esto quiere decir que solo deberias aplicar un estimulo con valor rango bajo y uno de valor de rango alto UNA sola vez durante el procedimiento de calibracin. El trimming del sensor (o trimming del ADC) en un instrumento inteligente consiste en estos cuatro pasos generales:

  • Aplique un estimulo con el valor de rango mnimo en el instrumento, luego esperemos que se estabilice la lectura

    Ejecute la funcion "low trim" del sensor (transmisor). Aplique un estimulo con el valor de rango mximo en el instrumento, luego esperemos

    que se estabilice la lectura. Ejecute la funcion "high trim" del sensor (transmisor).

    De manera simular, debemos realizar el trimming de la salida (Conversor Digital-Analogo o DAC) para esto debemos seguir estos seis pasos generales:

    Ejecute la funcin "low trim" de la seal de salida. Mida la seal de salida con un miliamperimetro de precision, verificando el valor luego

    de estabilizarse. Ingrese el valor de corriente medido cuando el instrumento lo solicite. Ejecute la funcin "high trim" de la seal de salida. Mida la seal de salida con un miliamperimetro de precision, verificando el valor luego

    de estabilizarse. Ingrese el valor de corriente medido cuando el instrumento lo solicite.

    Despues de que los valores de entrada y salida (ADC y DAC) del transmisor inteligente hayan sido "trimmed" o configuradas (por ejemplo calibrado referencias estandar conodicadas para ser exactos), los valores de rango bajo y algo recien pueden ser configurados. De hecho, una vez que los procedimientos de configuracion del trim son completados, el transmisor puede ser rangueado y rangueado cuantas veces lo deseemos. La unica razn para realizar un re-trimming en un transmisor inteligente es para asegurar la presicion en periodos de tiempo donde el sensor y/o los conversores ADC/DAC puedan tener un desfase de valores en los lmites aceptables.

    Estos nos muestra de gran manera la diferencia de los transmisores analgicos, donde estos requeririan un re-calibracion completa cada vez que se modifique su rango.

  • ERRORES COMUNES EN CALIBRACIN DE INSTRUMENTACIN: ZERO, SPAN, LINEALIDAD, HISTERESIS

    Recordemos la ecuacin lineal que describe la respuesta de cualquier instrumento lineal:

    y = mx + b Donde: y = Seal de salida del instrumento m = valor del span x = Seal de entrada del instrumento b = valor de zero

    Un error de desfase de zero en una calibracin provoca un desfase o desplazamiento vertical de la grafica de la ecuacin, lo cual es equivalente a modificar el valor de b de la ecuacin. Este error afecto a todos los puntos o valores de calibracin de la misma manera, provocando el mismo procentaje de error dentro de todos los puntos o valores del rango del instrumento.

  • Si un transmisor tiene un error de calibracin por zero, ese error puede ser corregido ajustando cuidadosamente el "zero" hasta llegar a la respuesta ideal, escencialmente alteramos el valor de b de la ecuacion lineal.

    Un error de desfase de span en una calibracin ocasiona la variacin de la pendiente de la funcin, lo cual es equivalente a alterar el valor de m en la ecuacin lineal. Este error efecta de manera desigual en los diferentes valores o puntos a travs del rango del instrumento.

    Si un transmisor tiene un error de calibracion por span, ese error puede ser corregido ajustando cuidadosamente el span hasta lograr una respuesta ideal, esencialmente alterar el valor de m en la ecuacin lineal.

    Un error de linealidad en una calibracin causa que la funcn de respuesta del instrumento deje de ser una linea recta. Este tipo de error no esta directamente relacionado con desfases de zero (b) o de span (m) porque la ecuacin anterior solo describe lineas rectas.

  • Algunos instrumentos proveen la posibilidad de ajustar la respuesta de linealidad, en ese caso este parametro deber ser modificado con extremo cuidado. El comportamiento del ajuste de linealidad es nica para cada modelo de instrumento, por tanto debemos consultar la documentacin del fabricante para conocer los detalles de como trabaja a exactitud ese parametro. Si el instrumento no provee la posibilidad de modificar su linealidad, lo mejor que podemos hacer ante este tipo de error es "divir o partir el error" entre los extremos alto y bajos del rango, por tanto el error mximo absoluto en cualquier punto del rango ser minimizado.

    Un error de histrisis en una calibracin ocurre cuando la respuesta del instrumento en puntos o valores determinados es diferente al incrementar la seal de entrada que al decrementar la seal de entrada. La nica manera de detectar este tipo de error es hacer una prueba up-down en la calibracin, es decir tomar nota de valores determinados ante un incremento de seal de entrada y comprarlos con los mismos valores pero decrementando la seal de entrada.

  • Los errores por histresis son casi siempre causados por una friccin mecanica del sensor (y/o una perdida de acoplamiento entre elementos mecnicos) como los tubos de bourdon, fuelles, diafragmas, pivots, etc. La friccin siempre acta en direccin opuesta a la de movimiento relativo. Los errores de histresis no pueden ser rectificados simplemente haciendo ajustes de calibracin en el instrumento - por lo general se debe reemplazar los componentes defectuosos o corregir los problemas de acoplamiento en el mecanismo del instrumento.

    En la prctica, los errores mas comunes de calibracin son una cambinacin de problemas de zero, span, linealidad y histeresis.

    DOCUMENTACIN EN CALIBRACIN DE INSTRUMENTOS: AS-FOUND - AS-LEFT Y UP-TEST - DOWN-TEST

    Documentacin As-found y As-left

    Una importante buena prctica cuando calibramos es documentar los valores del instrumentos como FUE encontrado (as-found) y como FUE dejado (as-left) con los ajustes realizados. El proposito de documentar ambas condiciones es para dejar registros respecto a los desfases o drifts durante el tiempo en el instrumento. Si solamente registraramos una de estas condiciones (as-found o as-left) cada vez que calibramos un instrumento, ser dificil determinar que tan bien un instrumento esta manteniendo su calibracin (precisin) durante largos periodos de tiempo.

    Un desfase o imprecisin frecuente es un indicador de una falla inminente, el cual es vital para cualquier programa de mantenimiento predictivo o control de calidad.

    Tipicamente, el formato para documentar los valores de estas condiciones (as-founf y as-left) es una tabla simple mostrando los puntos o valores de calibracin, la respuesta ideal de instrumento, la respuesta actual del instrumento, y el error calculado para cada punto. La siguiente tabla es un ejemplo para un transmisor de presin con un rango de 0 a 200 PSI:

    Porcentaje del Rango

    Presin de

    Entrada Corriente de Salida (ideal)

    Corriente de

    Salida

    (Medida o Real) Error (porcentaje del

    span) 0% 0 PSI 4.00 mA 25% 50 PSI 8.00 mA 50% 100 PSI 12.00 mA 75% 150 PSI 16.00 mA

    100% 200 PSI 20.00 mA

  • Up-test y Down-test

    Es comn que las tablas de calibracin normalmente nos muestren pruebas con puntos en ascenso y puntos en descenso, con fines de descartar y documentar problemas por histeresis y banda muerta (deadband). En el siguiente ejemplo, se muestra un transmisor con una histeresis mxima de 0.313% (los datos con mayor error se muestran en negrita)

    Porcentaje del Rango

    Presin de

    Entrada

    Corriente de Salida (ideal)

    Corriente de Salida

    (Medida o Real) Error

    (porcentaje del span)

    0% 0 PSI 4.00 mA 3.99 mA -0.0625 % 25% 50 PSI 8.00 mA 7.98 mA -0.125 % 50% 100 PSI 12.00 mA 11.99 mA -0.0625 % 75% 150 PSI 16.00 mA 15.99 mA -0.0625 %

    100% 200 PSI 20.00 mA 20.00 mA 0 % 75% 150 PSI 16.00 mA 16.01 mA +0.0625 % 50% 100 PSI 12.00 mA 12.02 mA +0.125 % 25% 50 PSI 8.00 mA 8.03 mA +0.188 % 0% 0 PSI 4.00 mA 4.01 mA +0.0625 %

    Si realizamos un calibracin en ambas direcciones, es importante aplicar el mismo valor de estimulo (a precisin) en un punto determinado para proceder a cuantificar errores por histeresis o banda muerta con exactitud, caso contrario esos datos no podrn ser usados para estos fines.

  • LA RANGUEABILIDAD O TURNDOWN: PARMETRO IMPORTANTE PARA SELECCIONAR INSTRUMENTACIN

    Un importante parmetro que indica performance en transmisores es algo llamado frecuentemente "turndown" o "rangedown" o "rangueabilidad". La "Rangueabilidad" es definida como el cociente entre el MAXIMO span permitido entre el MINIMO span permitido para un instrumento en particular.

    Supongamos que un transmisor de presin tiene un rango de calibracin mximo de 0 a 300 PSI y un "turndown" de 20:1. Esto significa que un instrumentista puede ajustar el span en cualquier valor entre 300 PSI y 15 PSI (300/20 = 15). Es muy importante tener en cuenta esto para poder seleccionar un adecuado transmisor para cualquier aplicacin. Las probabilidades de tener un transmisor con calibracin de fbrica y nunca modificar su configuracin es muy pequea, lo que significa que de TODAS maneras se tendr que ajustar para satisfacer las necesidades de la aplicacin en especifico. La rangueabilidad nos dice cuanto o en que lmites podemos ajustar el rango de nuestros transmisores.

    Por ejemplo, supongamos que estamos trabajando en una instalacin donde el personal de operaciones requiere que se instale un transmisor de presin en un recipiente con un rango de medida de 50 PSI a 90 PSI. Entonces vamos a nuestra taller o almacn donde se encuentran los instrumentos de stock nuevos, y encontramos un transmisor de presin con un (mximo) rango de 0 a 1000 PSI, y un turndown o rangueabilidad de 20:1. Dividiendo el mximo span de 1000 PSI entre 20, tenemos que el mnimo span permitido es 50 PSI, El span requerido por el operativo para este transmisor es de 40 PSI (90 PSI - 50 PSI) lo que significa que el transmisor que tenemos en almacn NO ser capaz de "llegar" al rango mnimo deseado. A lo sumo, nosotros podriamos configurar un rango de 50 PSI a 100 PSI, o tal vez de 40 PSI a 90 PSI, pero nunca de 50 PSI a 90 PSI como lo requiere operaciones. Hasta este punto, nos queda consultar al operativo si 50 PSI de span sera aceptable o no, o

  • tendremos que ordenar un transmisor de presion diferente con un span ms pequeo (o con una rangueabilidad de mayor valor).

    Otra consideracin importante con el "turndown" o la "rangueabilidad" es la "presicin" del instrumento. Casi todos los instrumentos son configurados para su mximo span, y generalmente la peor presicin ocurre cuando se reduce el span. Por ejemplo, el flujometro msico Micro Motion "ELITE" indica tener una presicin de +-0.05% a una rangueabilidad hasta de 20:1, y que si precisin se reduce a +-0.25% a un rangueabilidad de 100:1, y a +-1.25% a un rangueabilidad de 500:1. Debemos darnos cuenta la degradacion de la presion en la medida a grandes valores de rangueabilidad, aqui el flujometro msico no tiene la culpa, sino que es una consecuencia indudable de poner su rangueabilidad al limite.

    LOS INSTRUMENTOS PATRON EN CALIBRACIN: CONCEPTOS Y CARACTERSTICAS

    Como lo definimos anteriormente, una calibracin refiere a revisar y ajustar de un instrumento su salida de modo que corresponda exactamente (o sea proporcional) a su entrada a travs de un rango especfico. Para calibrar un instrumento, debemos tener conocimiento de las cantidades de entrada y/o salida asociadas al instrumento bajo prueba. A un dispositivo usado como referencia para comparar su respuesta frente a la respuesta de un instrumento es llamado "calibration standard" o "patrn". En palabras simples, un patrn es algo que nosotros podemos utilizar para comparar un instrumento calibrado. Por tanto, cualquier calibracin podr solo ser tan buena como el patrn que estemos usando.

    Los patrones o "calibration standards" se pueden dividir en dos categoras: patrones usados para "producir" un cantidad fsica precisa (por ejemplo presin, temperatura, voltaje, corriente, etc.), y patrones usados para simplemente "medir" una cantidad fsica con un alto grado de precisin. Un ejemplo de la primera categora sera el uso

  • de agua en ebullicin (al nivel del mar) para "producir" una temperatura de 100 grados Celsius (212 grados Fahrenheit) para calibrar un indicador de temperatura, mientras que un ejemplo de la segunda categora sera el uso de un termmetro de precisin de laboratorio para medir alguna fuente arbitraria de temperatura en comparacin con el indicador de temperatura que estamos calibrando.

    En laboratorios de metrologa, los ltimos estndares se basan en las constantes fundamentales de la naturaleza, y se llaman normas intrnsecas. Un ejemplo moderno de un estndar intrinsecos para el tiempo es el llamado reloj atmico, que utiliza tomos aislados de Cesio para producir frecuencias las cuales son inherentemente fijas y reproducibles en todo el mundo. Los talleres de instrumentacin dentro de las industrias o fbricas en realidad no podran pagar los costos asociados para tener normas intrnsecas, por lo que deben recurrir a otro tipo de dispositivos para propsitos de calibracin. Idealmente, se hace una cadena de calibracin para cualquier dispositivo desde el instrumento en taller hasta una norma intrnseca o laboratorio de metrologa primaria en el pas.

    Los instrumentos patrn usados para calibracin en los talleres de instrumentacin, deben ser enviados peridicamente a los laboratorios de metrologa para su re-calibracin o re-estandarizacin, donde su exactitud es revisada comparndola con otro (de mejor precisin) patrn los cuales son comparados con otros estndares de calibracin de nivel mucho ms alto y en ltima instancia se contrastan con los normas intrnsecas. En casa paso de calibracin en "cadena", hay un grado progresivo de incertidumbre. Las normas intrnsecas proseen la MENOR cantidad de incertidumbre, mientras que los instrumentos de campo (por ejemplo transmisores de presin, temperatura, etc.) presentan la mayor incertidumbre.

    Es importante que el grado de incertidumbre en la exactitud de un instrumento patrn sea SIGNIFICATIVAMENTE menor que el grado de incertidumbre que nosotros esperamos tener en el instrumento que estamos calibrando, de otra manera de nada servira realizar la calibracin. Esta razn de incertidumbres es llamada Test Uncerainty Ratio (Razn de incertidumbre de prueba) o TUR. Una buena regla es mantener un TUR de al menos 4:1 (idealmente sera de 10:1 o mejor), donde el instrumento patrn es muchas veces ms exacto (menos incertidumbre) que los instrumentos de campo que estamos calibrando con el mismo.

    He sido personalmente testigo de la confusin y prdida de tiempo que genera tratar calibrar instrumentos de campo para una pequea incertidumbre mientras que el

  • instrumento patrn tiene una incertidumbre similar. En un caso, el instrumentista intento calibrar un transmisor de presin neumtico con una tolerancia de +-0.25% de span usando un patrn que solo tena +-1% en el mismo span.

    Lo que debemos aprender aqu es que siempre nos aseguremos que el patrn usado para calibrar sea de exactitud confiable (la suficiente). Ningn instrumento patrn es perfecto, perfeccin no es lo que necesitamos. Nuestra meta es ser lo suficientemente preciso para que la calibracin sea confiable en los lmites especificados.

    En los siguientes artculos hablaremos de los instrumentos patrn mas usados en los talleres de instrumentacin para calibrar.

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