ESQUEMA
Introducción. y
Fundamentos de medición y control.
y
Instrumentos primarios de medición.
y
Transductores.
y
Transmisores. y
Indicadores Locales
y
Receptores: indicadores y registradores.
y
Controladores.
y
Tipos de instrumentos instrumentos de medición y control: control: On-Off, control proporcional, proporcional, control derivativo control integral.
y
Características estáticas de los instrumentos
y
Características dinámicas de los instrumentos.
y
Transmisión y procesamiento de datos.
y
Elementos finales de control.
Conclusión.
INTRODUCCIÓN
La instrumentación consta de elementos que sirven para medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en este. En otras palabras la instrumentación es la ventana a la realidad de lo que está sucediendo en determinado proceso, lo cual servirá para determinar si el mismo va encaminado hacia donde deseamos y de no se así, podremos usar la instrumentación para actuar sobre algunos parámetros del sistema y proceder de forma correctiva. La instrumentación es el que ha permitido el gran avance tecnológico de la ciencia actual en casos tales como: los viajes espaciales, la automatización de los procesos industriales y mucho otros de los aspectos de nuestro mundo moderno; ya que la automatización es solo posible a través de elementos que puedan sensar lo que sucede en el ambiente, para luego tomar una acción de control pre-programada que actúe sobre el sistema para obtener el resultado previsto.
1.
Fundamentos de medición y control
La instrumentación trata de las técnicas, los recursos, y métodos relacionados con la concepción de dispositivos para mejorar o aumentar la e¿cacia de los mecanismos de percepción y comunicación del hombre. La instrumentación comprende dos campos principales: instrumentación de medida e instrumentación de control. En general, en el diseño de los sistemas de medida la atención se centra en el tratamiento de las señales o magnitudes de entrada, mientras que en los sistemas de control se da especial importancia al tratamiento de las señales de salida. En el primer caso son de interés los captadores o sensores y los transductores, mientras que en el segundo los dispositivos más relevantes son los accionadores o actuadores. 2. Instrumentos primarios de medición. y
Transductor
Son dispositivos capaces de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a la salida. Es un dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina, en la agricultura, en robótica, en aeronáutica, etc. para obtener la información de entornos físicos y químicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores siempre consumen algo de energía por lo que la señal medida resulta debilitada.
y
Transmisores
Son aquellos instrumentos que captan la variable de proceso, generalmente puede ser a través de un elemento primario, y la transmiten a distancia en forma de señal neumática, electrónica, pulsos, protocolarizada (hart) o bus de campo. Estos instrumentos dan una señal continua de la variable de proceso. Dentro de los transmisores los hay ciegos (sin indicador local) y con indicador local incorporado.
y
Indicadores Locales
Son aquellos instrumentos que captan la variable de proceso y la muestran en una escala visible localmente. Los indicadores locales más utilizados son los manómetros (presión), termómetros (temperatura), rotámetros (caudal), etc. Normalmente estos instrumentos no llevan electrónica asociada, aunque también se consideran indicadores locales a los indicadores electrónicos conectados a los transmisores.
y
Receptores
Son los instrumentos que generalmente son instalados en el panel de control, como interfase entre el proceso y el hombre. Estos reciben la señal de los transmisores o de un convertidor. y
Indicadores
En términos generales, un indicador es la medida cuantitativa o la observación cualitativa que permite identificar cambios en el tiempo y cuyo propósito es determinar qué tan bien está funcionando un sistema, dando la voz de alerta sobre la existencia de un problema y permitiendo tomar medidas para solucionarlo, una vez se tenga claridad sobre las causas que lo generaron. En este sentido, los indicadores se convierten en uno de los elementos centrales de un sistema de referenciación, ya que permiten, dada su naturaleza, la comparación al interior de la organización (referenciación interna) o al exterior de la misma (referenciación externa colectiva).
y
Registradores
Un registrador es un dispositivo electrónico que registra datos en el tiempo o en relación a la ubicación por medio de instrumentos y sensores propios o conectados externamente. Casi todos están basados
en microcontroladores. Por lo general son pequeños, con pilas, portátiles, y equipados con un microprocesador, memoria interna para almacenamiento de datos y sensores. Algunos registradores de datos se comunican con un ordenador personal y utilizan software específico para activar el registrador de datos, ver y analizar los datos recogidos, mientras que otros tienen un dispositivo de interfaz local (teclado, pantalla LCD) y puede ser utilizado como un dispositivo independiente. Los registradores de datos varían entre los de propósito general para una amplia gama de aplicaciones a los dispositivos de medición muy específicos para medir en un medio ambiente o aplicación particular. Es común que los tipos de propósito general sean programables sin embargo muchos siguen como máquinas estáticas con un número limitado de parámetros variables. Registradores de datos electrónicos han reemplazado a los registradores de carta en muchas aplicaciones.
y
Controladores
Este es uno de los elementos más importante, ya que será el encargado de ejercer la función de comparar lo que está sucediendo en el proceso, con lo que realmente se desea que suceda en él, para posteriormente, en base a la diferencia, envié una señal al proceso que tienda a corregir las desviaciones.
3.
Tipos de instrumentos de medición y control
y
Para
medir Velocidad.
La velocidad es una magnitud física de carácter vectorial que expresa el desplazamiento de un objeto por unidad de tiempo. Entre los instrumentos más conocidos para medir la velocidad están los tacómetros que es un dispositivo que mide la velocidad de giro de un eje, el velocímetro y el anemómetro.
y
Para
medir Tensión Mecánica.
Las tensiones mecánicas son causadas por excesos de peso sobre la estructura o el caso más común es que es causado por las Vibraciones Mecánicas, sus consecuencias suelen ser el aumento de los esfuerzos y las tensiones, pérdidas de energía, desgaste de materiales, y las más temidas: daños por fatiga de los materiales, además de ruidos molestos en el ambiente laboral, etc.
En tales condiciones es necesario conocer las características del material para diseñar el instrumento donde va a usarse de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estar sometido no sean excesivos y el material no se fracture. El comportamiento mecánico de un material es el reflejo de la relación entre su respuesta o deformación ante una fuerza o carga aplicada.
y
Para
medir dureza.
La dureza es una medida de la resistencia de un material a la deformación permanente (plástica) en su superficie, o sea la resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado. La dureza de una material se mide de varias formas dentro de las cuales se pueden destacar las durezas "mecánicas" y la dureza de Mohs. En las durezas mecánicas se utiliza un penetrador sobre la superficie del material. Sobre este penetrador se ejerce una carga conocida presionando el de la superficie del material penetrador a 90º de ensayo. El penetrador tiene diferentes formas y de acuerdo a esta es la huella que queda impresa en el material. De acuerdo a la geometría de la huella y a la carga. Se utilizan diferentes fórmulas para determinar el valor de la dureza. Actualmente hay aparatos que leen la dureza de una forma digital. Es así como puede establecerse la dureza Brinell, Vickers, Knoop, y Rockwell.
Algunos de los aparatos usados actualmente para medir la dureza son:
y
Para
medir ruidos en general.
Los ruidométros (Sound Level Meter) son utilizados para medir el nivel de los ruidos en un determinado ambiente, de manera que se puedan mantener un nivel adecuado según los estándares internacionales de niveles de ruido. Las consecuencias de los altos niveles de ruido en las personas son: aumento de la presión sanguínea, produce problemas al corazón, ocasiona estrés, disminuye la concentración, modifica el ritmo respiratorio, produce tensión muscular, riesgos coronarios, alteraciones mentales, tendencias a actitudes agresivas. y
Para
medir Espesores.
Los medidores mecánicos convencionales (Micrómetros) permiten medir espesores usualmente en el rango entre 0 y 25 mm con una exactitud de algunos micrómetros. Usando alternativamente el principio de Interferencia óptica, la medición de espesores se puede efectuar con una precisión de algunas decenas de nanómetros. y
CONTROL ON-OFF
El control on-off, también llamado todo-nada o abierto-cerrado, es la forma más simple de control por realimentación. Es un control de dos posiciones en el que el elemento final de control sólo ocupa una de las dos posibles posiciones.
-
Controladores On-Off con histéresis
Para prevenir cambios continuos en la válvula cuando la temperatura se encuentra próxima al punto de consigna, las temperaturas que hacen que la válvula se abra o se cierre deben ser ligeramente distintos, dándose el nombre de histéresis a la diferencia entre el valor de cierre y el de apertura. Ventajas
del controlador ON-OFF
El controlador es económico.
Las válvulas de solenoides son también más económicas que los
posicionadores incorporados en el elemento de acción final. El sistema es confiable. Es fácil de instalar y de ajustar. Siempre que el ciclo límite pueda tolerarse, un controlador on-off es un candidato a tener en cuenta. Desventajas
del controlador ON-OFF
Hay una oscilación continua Si es un controlador on-off con histéresis se producen: - o grandes desviaciones respecto al punto de consigna - o constantemente se está abriendo y cerrando la válvula.
y
Control Proporcional
El modo de control proporcional, está basado en un algoritmo lineal y proporcional, que tiene como objetivo reducir la magnitud del error (diferencia entre el punto de ajuste y la medición), así dará estabilidad al proceso. El modo de control proporcional no considera el tiempo y solo se ve afectado por el tiempo muerto y el tiempo de reacción del retardo del proceso. En el modo proporcional la magnitud de la salida del controlador es proporcional a la magnitud del error, es decir si el elemento de control es una válvula esta recibe una señal que es proporcional a la magnitud de la corrección requerida. Cualquiera que sea el mecanismo real y la forma de
operación, el controlador proporcional es, en esencia, un amplificador con una ganancia ajustable.
y
Control Derivativo
Un controlador PI puede ayudar a eliminar el ³offset´, pero puede aumentar el tiempo de respuesta y causar picos. El control integral es usado solo para eliminar los desfases, pero con frecuencia, los cambios en las cargas originarán la caída o subida de la variable controlada sobre límites aceptables antes desajustado. Se requiere un modo de control de respuesta específica para cambios rápidos de la señal de error. Esta acción de control esencialmente puede anticipar un error basado en la velocidad de la respuesta. En términos matemáticos, la acción derivativa está basada en la caída de una curva representando la cantidad de error de sobre tiempo. La operación matemática para determinar esta caída en cualquier instante particular de tiempo es conocida como encontrar la derivada. Esta operación le da a la acción derivativa su nombre. Conocida también como acción de (rate). El ajuste de la acción derivativa es llamado la velocidad de ajuste. Si estos están solucionando el problema muy lentamente, el sistema de control no responderá lo suficientemente rápido a los cambios de carga. Si la acción de control es demasiado alta, la respuesta a cambios pequeños en la variable controlada será muy grande y el sistema de control se volverá inestable. La velocidad, por este motivo, debe ser ajustada por cada sistema de control para responder correctamente a los cambios en la carga. Este tipo de acción de control es conocido como La acción derivativa entrega una señal proporcional a la velocidad de cambio de la señal de error. Debido a esto, cuando la variable controlada esta quieta, la señal derivativa es cero. Cuando el valor de la variable controlada está cambiando rápidamente, la señal derivativa es grande.
La señal derivativa cambia la salida del controlador. En este sentido, una señal de control más grande es producida cuando hay un cambio rápido en la variable controlada, y durante el cambio, el elemento final de control recibe una señal de entrada más grande. El resultado es una respuesta más rápida a los cambios de carga. y
Control Integral
Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentación que calcula la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener, para aplicar una acción correctora que ajuste el proceso. El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral genera una corrección proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula de control o la energía suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres variables en el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer un control diseñado para lo que requiera el proceso a realizar. La respuesta del controlador puede ser descrita en términos de respuesta del control ante un error, el grado el cual el controlador llega al "set point", y el grado de oscilación del sistema. Nótese que el uso del PID para control no garantiza control óptimo del sistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o dos modos de los que provee este sistema de control. Un controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la ausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al valor deseado debido a la acción de control.
4.
Características Estáticas y dinámicas de los instrumentos.
Características Estáticas
Las características estáticas son aquellas inherentes a los instrumentos al medir condiciones invariables de tiempo, dichas características se pueden clasificar en: y
Exactitud (Deseable) .
La exactitud es la tolerancia de medida del instrumento y define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales de servicio. Generalmente viene impreso en el instrumento. y
Sensibilidad (Deseable).
La sensibilidad es la razón entre el incremento de la lectura e incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. y
Repetibilidad (Deseable):
La repetibilidad es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice del instrumento al medir repetidamente valores idénticos de la variable. y
Desviación (Indeseable).
Existen varias formas de desviación. Un instrumento puede tener una desviación uniforme en forma gradual; este efecto se llama desviación de cero y se corrige fácilmente desplazando en forma permanente el puntero, la pluma o la señal de transmisión (neumática o eléctrica). Otro caso es la desviación por amplitud, esta desviación comienza en cero y aumenta o disminuye en forma gradual o proporcional. Normalmente la causa de este tipo de desviación es por fatiga de un resorte o un fuelle. Un tercer caso de desviación es cuando solamente un punto de la calibración varía. Puede ocurrir en la parte alta de la escala del instrumento cuando uno de sus
componentes se encuentra bajo una gran tensión. Por ejemplo la desviación en los fluidómetros se debe al desgaste por erosión de la placa de orificio. y
Error Estático (Indeseable).
El error estático de un instrumento es la diferencia entre el valor real de la cantidad medida, (el cual no cambia con el tiempo), y el valor indicado por el instrumento. Error Estático = Indicación del Instrumento ± Valor Real de Medición y
Zona
Muerta (Indeseable) .
Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce respuesta.
Características dinámicas
Las características dinámicas influyen grandemente en la exactitud de la medición, y más aún en las características de respuesta del control automático. Los instrumentos del tipo mecánico o neumáticos rara vez responden instantáneamente a los cambios de la variable, mientras que los instrumentos electrónicos indican cambios prácticamente instantáneos. No se debe creer sin embargo, que una gran velocidad de respuesta a un cambio de la variable es, en todo los casos, una característica deseable. y
Velocidad de Respuesta (Deseable) .
Es la rapidez con que un instrumento da respuesta a cualquier cambio en la variable del proceso donde está instalado. y
Fiabilidad (Deseable).
Es la medida de la probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de los límites especificados de error a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones especificadas.
y
Retardo (Indeseable).
Es el tiempo empleado por el instrumento en dar respuesta a cualquier perturbación desde el instante en que es censada por él, sobre la variable del proceso donde esté prestando servicios. y
Error Dinámico.
Siempre que las condiciones sean dinámicas existirá mayor o menor grado de error, que se puede definir como la diferencia entre el valor instantáneo de la variable he indicado por el instrumento. El error dinámico depende del fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primario (termopar, bulbo y capilar) de los medios de protección. 5. Transmisión y procesamiento de datos. La transmisión y el procesamiento de datos consiste en la acción de enviar y recolectar toda la información en bruto suministrada por los diferentes equipos conectados al computador central, bien sea PLC, SCADA, Buses de campo entre otros; para que este interprete los datos y realizar acciones en caso de ser necesarias. 6. Elemento f inal de control Este elemento es quien reciba la señal del controlador y quien estando en contacto directo con el proceso en línea, ejerza un cambio en este, de tal forma que se cambien los parámetros hacia el valor deseado. Ejemplo: válvulas de control, compuertas.
y
Válvulas de Control
En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de la regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el caudal de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como el elemento primario, el transmisor y el controlador.
El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador y los asientos y está provisto de de rosca o de bridas para conectar la válvula a la tubería. El obturador es quien realiza la función de paso del fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Esta unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor. Hay diferentes tipos de válvulas las más comunes son: -
Válvula de Globo.
-
Válvula de Angulo.
-
Válvula de Jaula.
-
Válvula de Globo.
-
Válvula en ³y´.
-
Válvula de compuerta.
-
Válvula de cuerpo partido.
-
Válvula Saunders.
-
Válvulas de compresión.
-
Válvulas de obturador excéntrico rotativo.
-
Válvula de obturador cilíndrico excéntrico.
-
Válvula de mariposa.
-
Válvula de orificio ajustable.
-
Válvula de flujo axial.
Conclusión Gracias a las investigaciones realizadas se podría decir que la instrumentación consta de fundamentos,
tales como el fundamento de
medición y el fundamento de control que en general, en el diseño de los sistemas de medida la atención se centra en el tratamiento de las señales o magnitudes de entrada, mientras que en los sistemas de control se da especial importancia al tratamiento de las señales de salida. Así mismo tenemos tratamientos primarios de medición como lo son Controladores, Registradores, indicadores, receptores, indicadores locales, transmisores y transductor. También existen tipos de instrumentación y control, dentro de los cuales tenemos: Control Integral, Control Derivativo, Control Proporcional, Control ON-OFF, Para medir Espesores, Para medir ruidos en general, Para medir dureza, Para medir Tensión Mecánica, Para medir Velocidad. Para finalizar se pudo mencionar las características estáticas y dinámicas de los instrumentos. Dentro de las estáticas tenemos: Exactitud (deseable),
sensibilidad
(deseable),
repetibilidad
(deseable),
desviación
(indeseable), error estático (indeseable) y zona muerta (indeseable). Y en las dinámicas están: Velocidad de respuesta (deseable), fiabilidad (deseable), retardo (indeseable) y error dinám ico.
República Bolivariana de Venezuela. Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior. Universidad Nacional Experimental ³Rafael María Baralt´ Programa: Ingeniería y Tecnología. Proyecto: Ingeniería de Gas.
Realizado por: Bahamón Raúl. Gomez Seyner. Lugo Pilar. Perez Carelis. Ramirez Thaina. Riera Luisyannys. Romero Yslaury. Torres Fabian.
