Introduccin a la Instrumentacin Industrial para el Control de Procesos

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Introduccin a la Instrumentacin Industrial para el Control de ProcesosEscrito por Jos Carlos Villajulca

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 consoladores 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 (set point). 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 (wariable medida) es comparada con el set point y la diferencia (desviacin) sirve para el elemento fina! de control (comnmente una vlvula) para ajusfar el valor de la wariable manipulada. Este ajuste, hace que el valor de la variable controlada se dirija hacia el de la referencia. Desde luego, no todos los sistemas de control automtico tienen exactamente este modelo (llamado de realimentacin); existen variaciones como por ejemplo, l control prealimentado, 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 ellosEscrito por Jos Carlos Villajulca

Que son los sensores? y lo que no sabes de ellos Son los elementos que detectan o sensan cambios en el valor de la variable controlada. A menudo se denominan elementos primarios y en algunos casos forman parte de un bloque con el llamado transmisor o aquel que recibe la salida del sensor y adapta esta 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 0,21 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 importanteEscrito por Jos Carlos Villajulca

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 - Manometros 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 extesisiomtricas (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).

Figura 2 Transductores de presin

Sensando Temperatura: conociendo mas detallesEscrito por Jos Carlos Villajulca

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.

Termometros Bimetalicos 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 mas famosas: Las Termocuplas La termocupia 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), los hilos son fabricados de platino o aleacin de platino y rodio.

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).

Figura 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 resistencia 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 mas, 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 resistencia 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 de 0.1K sobre un rango de 40 a 100K. Esto incluso puede variar con el tiempo de uso 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 requieren 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 5000C 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.

Figura 6 Pirmero de Radiacin

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

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 reemplazado a los anteriores. En el caso de que el fluido sea peligroso (corrosivo, txico, etc.) como para emplear vidrio, se utilizan os de tipo iagotico, 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 despSazadores, 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.

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.

figura 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.

Figura 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 radliactiwos 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 mas medida de la industriaEscrito por Jos Carlos Villajulca

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.

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MEDICIN POR PRESIN DIFERENCIAL

Utiliza dispositvos 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 funconalmente es sujeta a la erosin y dao, es fcil de reemplazar.

Figura 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.

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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.

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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 4 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.

5 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.

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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??Escrito por Jos Carlos Villajulca

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.

Figura 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.

Figura 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 DesplazamientoEscrito por Jos Carlos Villajulca

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.

Empezemos con los elementos finales de control : Vlvulas de ControlEscrito por Jos Carlos Villajulca

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.

Empezemos... 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 Valvula de Control

La VLVULA Consta de las siguientes partes: Cuerpo de vlvula Elementos internos, como el asiento del obturador, el obturador, el vastago del obturador, la gua del mismo, etc. que estn en contacto con el medio a controlar. Estopero, a travs del cual, se desplaza el vastago del obturador y que contiene los accesorios de sellado para evitar fugas de fluido. Generalmente, contiene los medios de montaje del actuador.

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

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 los 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 to

open). 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 controlEscrito por Jos Carlos Villajulca

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 definitivosEscrito por Jos Carlos Villajulca

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?. Pasos simples y eficacesEscrito por Jos Carlos Villajulca

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 vastago) 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 2 5 10 30 50 70 100 Factor de correccin 1,14 1,40 1,70 2,06 2,68 3,06 3,50

Ejemplo paso a paso.. Como Dimensionar una vlvula de controlEscrito por Jos Carlos Villajulca

En este artculo veremos de forma rpida y sencilla como podemos dimensionar una vlvula de control, de tal manera que se ajuste a nuestras necesidades y costos.

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

Vlvulas Solenoides y variadores de velocidad... otros elementos finales de controlEscrito por Jos Carlos Villajulca

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.

Comencemos... LAS VLVULAS SOLENOIDE Las vlvulas solenoide son a menudo usadas en una variedad de aplicaciones onoff 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 desenergiza, 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. Todos los aspectos relacionados a estos equipos, as como sus aplicaciones, los tratamos en otro curso el cual puedes ver inmediatamente en: http://instrumentacionycontrol.net/es/curso-variadores-de-velocidad.html

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

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

Cable Trenzado

Cable Coaxial

Cables de Fibra ptica Figura 1 - Medios fsicos de transmisin

Instrumentos Digitales de Campo, medios y modos de transmision y comunicacin - parte 2

Escrito por Jos Carlos Villajulca

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 Comunicacion en Instrumentacin ... tipos y definicionesEscrito por Jos Carlos Villajulca

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 IEC625/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 nterfaz 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 actualidadEscrito por Jos Carlos Villajulca

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" usando 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 t; 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 Exactitud Analgico 0,25 % a 1 % Digital 0,02 % a 0,1 %

Tabla 2 Exactitud de Transmisores

Caracterstica Rango:

Anlogo 0-5/30 0-25/150 0-125/750 0,2 % span 0,1 % span0,5 % span 0,2 % URL - 6 meses

Smart 0-.83/25 "H20 0-8,3/250 0-33,3/1000 0,1 % span, incluye histresis, linealidad y repetibilidad

Exactitud: Linealidad: Histresis Estabilidad:

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 Tipo de transmisor Razn de actualizacin (Actualizaciones/ s) Tiempo muerto del transmisor (ms) Tiempo muerto del controlador (ms) A Anlogo B Smart(Rosemount ) 5,5 C Digital (fieldbus) 2,7

20

400

700

250

250

250

480 480 Otros tiemposmuertos (ms) 750 1130 Tiempo muerto total (ms) Tabla 4 Tiempos Muertos de Transmisores

480 1680

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 + INFORMACION, sobre vlvulas inteligentes visitar:` http://www.instrumentacionycontrol.net/es/articulos-instrumentacion/16instrumentacion-elementros-finales-de-control/169-como-son-las-valvulas-decontrol-inteligentes-en-la-actualidad-part-1.html

Efecto de ruido en los circuitos de Instrumentacin: criterios para minimizar los efectosEscrito por Jos Carlos Villajulca

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.