transmisores y sensores

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA DINÁMICA Y CONTROL DE BIOPROCESOS GRUPO: 5LM1 SENSORES, TRANSMISORES Y ELEMENTOS FINALES DE CONTROL” ALUMNO: REYES RODRÍGUEZ ALEJANDRO PROFESORA: KATIA MARTÍNEZ CASTILLO

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Transmisores y Sensores

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALUNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA

DINÁMICA Y CONTROL DE BIOPROCESOS

GRUPO: 5LM1

“SENSORES, TRANSMISORES Y ELEMENTOS FINALES DE CONTROL”

ALUMNO:

REYES RODRÍGUEZ ALEJANDRO

PROFESORA:

KATIA MARTÍNEZ CASTILLO

MÉXICO D.F. A 09 DE JULIO DE 2015

SENSORES

Se define normalmente como el elemento que se encuentra en contacto directo con la magnitud que se va a evaluar. El sensor recibe la magnitud física y se la proporciona al transductor.

Sensores de Presión:

Miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocida Ejemplos: barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de pozo.

Figura 1 Sensor de Presión

Manómetro de Tubo en U

Mide diferencia de presión entre el fluido y la presión atmosférica. Contiene mercurio, agua, aceite, entre otros. Es preciso en el rango 500 [Pa] a 200 [KPa]. Ventaja: Versatilidad. Desventajas: Longitud de tubo necesaria para medir presiones altas.

Figura 2 Manómetro de Tubo en U

Manómetro de Tubo Inclinado

Se usan con aceite. En la industria son usados para medir la presión de combustión de las calderas que arrastran gases quemados hacia el exterior a través de las chimeneas.

Tubo Bourdon

Es el método más común para medir presiones. Es un Tubo aplanado de bronce o acero curvado en arco. Al aplicar presión al interior del tubo, tiende a enderezarse, transmitiendo este movimiento a una aguja por medio de un mecanismo amplificador adecuado. Muy preciso hasta 200 atm. Con precisión del 2 – 3 %. Escala máx. 7000 Kg/cm2. Esta deformación puede trasladarse a una aguja o a un sistema de resistencia variable o a un campo electromagnético.

Figura 3 Tubo Bourdon

Sensores de Temperatura:

La temperatura tiene una importancia fundamental en numerosos procesos industriales. Por ello, es imprescindible disponer de una medición precisa. 

Las temperaturas inexactas pueden tener graves consecuencias, como la reducción de la vida útil del equipo si sufre un sobrecalentamiento de unos grados.

Características: 

Alto grado de protección contra la humedad; Medición de temperaturas entre – 50 ºC y 800 ºC; Punta de medición fija o intercambiable; Elemento de resistencia Pt 100 / Pt 1000, NTC / PTC y termopares; Disponible con transmisor incorporado; Disponible con homologaciones marinas.

Un sensor de temperatura garantiza una salida continua en función de la temperatura real del sistema, lo que permite controlar por completo el proceso. 

La señal de salida del sensor puede ser: Ohm, RTD, NTC / PTC; Tensión, termopares; mA / tensión, transmisores.  

En función de la tecnología de sensor necesaria. Generalmente existen 3 gamas:

RTD (Detector de la Temperatura de Resistencia): Pt 100 o Pt 1000 (precisos, estables y que abarcan un amplio intervalo de temperatura). Nuestros RTD se basan en un elemento de película fina que garantiza la durabilidad y un tiempo de respuesta reducido.

NTC / PTC (característica de temperatura negativa / positiva): señal de salida personalizada y elementos a precios competitivos utilizados generalmente en las aplicaciones de fabricantes de equipos originales.

Termopares: adaptados a temperaturas muy elevadas y mecánicamente muy estables.

Figura 4 Sensor de Temperatura

Sensores de Flujo:

El sensor de flujo es un dispositivo que, instalado en línea con una tubería, permite determinar cuándo está circulando un líquido o un gas.

Estos son del tipo apagado/encendido; determinan cuándo está o no circulando un fluido, pero no miden el caudal. Para medir el caudal se requiere un caudalímetro.

De Pistón:

Es el más común de los sensores de flujo. Este tipo de sensor de flujo se recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 0,5 LPM y 20 LPM.

Consiste en un pistón que cambia de posición, empujado por el flujo circulante. El pistón puede regresar a su posición inicial por gravedad o por medio de un resorte.

El pistón contiene en su interior un imán permanente. Cuando el pistón se mueve el imán se acerca y activa un reed switch, que cierra o abre (según sea la configuración) el circuito eléctrico.

El área entre el pistón y la pared del sensor determina su sensibilidad, y por ende a qué caudal se activará el sensor.

De paleta (compuerta)

Este modelo es recomendado para medir grandes caudales, de más de 20 LPM.

Su mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo que se pretende detectar. El flujo empuja la paleta que está unida a un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el exterior del sensor.

Para ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paleta.

De elevación (tapón)

Este modelo es de uso general. Es muy confiable y se puede ajustar para casi cualquier caudal.

Su mecanismo consiste en un tapón que corta el flujo. Del centro del tapón surge un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor. Ese eje empuja un interruptor ubicado en el exterior del sensor.

Para ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapón.

TRANSMISORES

Los transmisores captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática, electrónica, digital, óptica, hidráulica o por radio.

Transmisores Neumáticos:

Los transmisores neumáticos se basan en el sistema tobera-obturador que, mediante bloques amplificadores con retroalimentación por equilibrio de movimientos o de fuerzas, convierte el movimiento del elemento primario de medición a una señal neumática de 3-15 psi (libras por pulgada cuadrada) o bien su equivalente en unidades métricas 0,2-1 bar (0,2-1 Kg/cm2) (20-100 kPa), siendo su exactitud del orden del ± 0,5%.

Figura 5 Transmisor Neumático

Los transmisores neumáticos, al tener el diámetro de la tobera muy pequeño, del orden de 0,1 a 0,2 mm, son susceptibles de mal funcionamiento debido a las par_ culas de aceite o polvo que puedan tapar la tobera. Este problema de mantenimiento, unido al hecho de que no pueden guardar las señales de planta, hace que se utilicen cada vez menos.

Transmisores Electrónicos:

Basados en detectores de inductancia, o utilizando transformadores diferenciales o circuitos de puente de Wheatstone, o empleando una barra de equilibrio de fuerzas, convierten la señal de la variable a una señal electrónica de 4-20 mA c.c. Su exactitud es del orden del ± 0,5%.

Figura 6 Transmisor Electrónico

El transmisor electrónico se alimenta con una fuente de 24 V c.c. y un circuito de dos hilos. El receptor dispone de una resistencia de 250 ohms conectada en los bornes de entrada. De este modo, si la señal de salida del transmisor varía de 4 mA c.c. a 20 mA c.c., se obtendrán las siguientes tensiones en los bornes de entrada al receptor:

250 ohmios × 4 mA c.c. = 1.000 mV = 1 V250 ohmios × 20 mA c.c. = 5.000 mV = 5 V

Transmisores Digitales:

Cuando apareció la señal digital aplicable a los transmisores, mejoró notablemente la exactitud conseguida en la medida. La señal del proceso es muestreada a una frecuencia mayor que el doble del de la señal (teorema de muestreo de Nyquist-Shannon) y de este modo, la señal digital obtenida consiste en una serie de impulsos en forma de bits.

Cada bit consiste en dos signos, el 0 y el 1 (código binario), y representa el paso (1) o no (0) de una señal a través de un conductor. Si la señal digital que maneja el microprocesador del transmisor es de 8 bits entonces puede enviar 8 señales binarias (0 y 1) simultáneamente. Como el mayor número binario de 8 cifras es:

11111111 = 1 + 1×21 + 1×22 + 1×23 + ... + 1×27 = 255 se sigue que la exactitud obtenida con el transmisor debida exclusivamente a la señal digital es de:(1/255) × 100 = ± 0,4%

Un ejemplo común como el transmisor con señal de salida enteramente digital de Honeywell, aparecido en el año 1986, proporcionó un aumento de la exactitud del lazo de control del orden del 0,75%, al eliminar los convertidores A/D (analógico-digital) del transmisor y el D/A (digital-analógico) del receptor (indicador, registrador o controlador). El término "smart" no puede aplicarse al transmisor que sólo posee comunicabilidad digital (mediante un convertidor A/D), pero carece de funciones adicionales tales como corrección automática de la presión y temperatura del fluido de proceso. Hay dos modelos básicos de transmisores digitales inteligentes, el capacitivo y el de silicio difundido.

Tabla 1 Comparativo de la señal y exactitud de transmisores

Tabla 2 Ventajas y Desventajas de los Transmisores

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Los elementos finales de control son dispositivos que directamente cambian el valor de la variable manipulada, constan generalmente de dos partes, la primera es un actuador que convierte la señal de controlador en un comando para el dispositivo generador y la segunda es un mecanismo para ajustar la variable manipulada. En conjunto con el actuador que lo opera, recibe señales del sistema de control para modificar el flujo de masa o energía al proceso.

Los elementos finales de control más comunes son:

Válvulas de Control. Reguladores de energía eléctrica. Reguladores de velocidad. Bombas y alimentadores.

De todos estos tipos, las válvulas de control representan un 95% o más de todas las aplicaciones en que interviene un elemento final de control.

Válvula de Control

Una válvula de control interactúa directamente sobre las corrientes del proceso con la finalidad de absorber una cantidad adecuada de caída de presión para así mantener al sistema total en balance bajo todas las condiciones de operación. Mediante la regulación de caídas de presión se logra el control inferencial de flujo, nivel, presión, temperatura, pH., es decir todas las variables vistas anteriormente de ahí su importancia.

Su aplicación ha avanzado desde sus comienzos en los 30´s, a ser un arte en los 50´s y casi una ciencia en los 70´s. La selección de la válvula adecuada requiere la consideración de muchos factores, para cubrir las demandas del proceso en lo referente a características de control y confiabilidad mecánica.

Figura 7 Componentes de la Válvula de Control

Características:

Se refiere a la verificación del flujo que pasa a través de una válvula como una función del viaje del tapón de la válvula y cubre dos casos; el primero, cuando se considera a la válvula como un elemento aislado y a este comportamiento se le conoce como característica inherente, ésta dependerá únicamente del diseño de los interiores de la válvula, los principales tipos de características inherentes son:

Abertura rápida Lineal - Parabólica modificada Mariposa y bola caracterizada Igual porcentaje

El segundo caso es cuando la válvula ha sido instalada, su comportamiento cambiará, de acuerdo con el sistema y al porcentaje de caída de presión de la válvula con respecto a la caída de presión total del sistema. Ahora esta característica se conoce como instalada y es la que definirá el comportamiento de la válvula en el sistema. Si los cambios en la carga son poco apreciables, la selección de la característica de la válvula es de poca importancia debido a que las variaciones en el punto de control serán pequeñas. Pero cuando grandes variaciones en la presión y en la carga ocurran, que es lo más común, se requerirán respuestas rápidas de la válvula, siendo esta respuesta función de la característica inherente de la válvula.

Debido a las crecientes necesidades de los procesos se han desarrollado una extensa variedad de tipos de cuerpos de válvulas de control, sin embargo, con tres tipos de válvulas se puede satisfacer prácticamente la mayoría de las aplicaciones normales de control: bola, mariposa y globo. Aunque existen otros tipos como: tapón, diafragma, compuerta y solenoide.

Válvula de Control Tipo Bomba

El diseño básico de estas válvulas no fue pensado para control, debido a que el flujo crítico se da cuando la caída de presión a través de éstas alcanza el 15% de la presión de entrada contra el 50% normal en otros diseños, lo que origina problemas de inestabilidad como cavitación, flasheo o ruido, en condiciones que en otro tipo de válvulas no ocurrirían, por lo que su uso es en servicios on-off.

Figura 8 Válvula de Control Tipo Bomba

Válvula de Control Tipo Mariposa

Su operación consiste en la rotación de un disco usualmente 90º, lo que hace variar el área entre las paredes del cuerpo y el disco, lo que originará una regulación del flujo a través de la válvula.

Figura 9 Válvula de Control Tipo Mariposa

Válvula de Control Tipo Globo

Este tipo de válvulas son las más comúnmente usadas y cuando el término válvula de control se menciona, normalmente se piensa en una válvula tipo globo.

Hay varios tipos de válvulas de este tipo como:

Válvulas de puerto sencillo. Válvulas de puerto doble. Válvulas de caja. Válvulas de ángulo. Válvulas de tres vías.

Figura 10 Tipos principales de Válvulas de Control Tipo Globo

Otros Elementos Finales de Control

Variadores de Velocidad:

Son ideales para múltiples aplicaciones de accionamiento de velocidad variable, como bombas, ventiladores y sistemas de transporte (por ejemplo, bandas transportadoras), entre otras.

Figura 11 Características de un Variador de Velocidad

Servomotores:

Los servos son un tipo especial de motor que se caracterizan por su capacidad para posicionarse de forma inmediata en cualquier posición dentro de su rango de operación. Para ello, el servo espera un tren de pulsos que corresponden con el movimiento a realizar. Están generalmente formados por un amplificador, un motor, la reducción de engranaje y la retroalimentación, todo en una misma caja de pequeñas dimensiones. El resultado es un servo de posición con un margen de operación de 180° o 360º.

El control de un servo se limita a indicar en qué posición se debe situar. Estas "ordenes" consisten en una serie de pulsos. La duración del pulso indica el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Los valores más generales corresponden con valores entre 1 ms y 2 ms, que dejarían al motor en ambos extremos. El valor 1,5 ms indica la posición central, mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°.

REFERENCIAS

Ogata, K. (2003), Ingeniería de Control Moderna, 4ta Edición, Pearson Prentice Hall, Madrid, pág. 124-142.

Creus, A. (1997), Instrumentación Industrial, 8ta Edición, Marcombo, S.A. pág. 63-91.

Morales, A. (2007). Elementos Finales de Control, ISA, Bogotá Colombia

Danfoss Latin America. (2015). Sensores de Temperatura. Recuperado el 07 de Julio de 2015, de http://www.danfoss.com/Latin_America_spanish/BusinessAreas/IndustrialControls/Products_pdf/Temperature+sensors.htm