LAZOS TÍPICOS DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL Prof. Juan Manuel Hernández Cid, Ph.D. ITESO, octubre de 2003
CONTENIDO INTRODUCCIÓN....................................... INTRODUCCIÓN......................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ...............2 .2 CARACTERÍSTICAS M ETROLÓGICAS DE LOS INSTRUMENTOS. .......................... ........................................ ............................ ......................2 ........2
METROLOGÍA Y ESTÁNDARES DE MEDICIÓN . .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ...............2 .2 Límites de especificaciones. ............ .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ....3 Sistema Internacional de Medidas. ........................................................................................................................4 Escritura de los símbolos, nombres y números. ................. .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... 5 DEFINICIONES BÁSICAS .................................. ................................................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ...........................5 .............5 ERRORES DE MEDICIÓN Y CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTOS . ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ .................6 ...6 Tipos de errores............ errores.......................... ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ...........................6 .............6 Análisis de errores......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... 7 Estándares, Calibración, Contrastación y Verificación Técnica de Instrumentos.. .......... ........... .......... ........... .....8 ..... 8 INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL..................... INDUSTRIAL.................................. ........................... ............................ ...........................9 .............9
DEFINICIONES EN INSTRUMENTACIÓN Y TIPOS DE INSTRUMENTOS ...................................... .................................................... ............................ ...........................9 .............9 Estructura general de un instrumento de medición. ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... 9 Clases Clases de instrumentos instrumentos.. ............................ .......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ .........................10 ...........10 Símbolos Símbolos en instrumentac instrumentación ión industrial industrial (Norma (Norma ISA-S5.1-84). ISA-S5.1-84). ............................ .......................................... ............................ ............................ ...................10 .....10 CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE LOS INSTRUMENTOS . ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................. ........................12 .........12 CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DE LOS INSTRUMENTOS . ............................ .......................................... ............................. ............................. ............................ .....................14 .......14 VARIABLES IMPORTANTES DE PROCESOS INDUSTRIALES Y SU MEDICIÓN. ............................. ....................................15 .......15
TEMPERATURA......................................... ....................................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............................15 ...............15 PRESIÓN . ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................. ............................. ........................17 ..........17 NIVEL Y FLUJO.............................. ............................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ...........................18 ............18 CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES. ............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ................19 ..19
LAZOS DE CONTROL. ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ....................20 .....20 CONTROL CLÁSICO. ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ......................21 ........21 Tipos de procesos. procesos. .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ....................21 .....21 Controladores secuenciales..................................................................................................................................22 Autómatas programables.......... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ........... .......... ......... 22 Sistemas Sistemas de adquisición adquisición de datos. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ......................23 ........23 CONTROL AVANZADO. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................. ..................24 ...24 BIBLIOGRAFÍA Y OTROS RECURSOS DIDÁCTICOS............ DIDÁCTICOS.......................... ............................ ............................ ............................ ............................. .................25 ..25
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Introducción. En cualquier proceso industrial, existen etapas o funciones en las cuales debe haber medición y control con objeto de lograr un producto de calidad. Para la identificación de las necesidades de medición, supervisión o monitoreo y de control, es esencial conocer el proceso ya sea petroquímico, alimentos o utilitario, por citar algunos ejemplos industriales. Para comprender mejor el proceso y controlarlo, es también esencial conocer las variables físicas involucradas principalmente, como medirlas, que dispositivos emplear para su medición o detección, que dispositivos emplear para su control, cómo estos elementos estarán dispuestos y dónde estarán localizados. Este aspecto es parte primordial de la función profesional de la instrumentación en la cual se distinguen dos actividades básicas: la medición de variables físicas y el control de procesos. En cuanto a la medición de variables físicas; su fundamentación está determinada por la metrología que suministra el marco teórico relacionado con todas las mediciones de ciencia, industria y comercio. En tanto que para el control de procesos; su fundamentación se encuentra en la teoría del control automático interesada en los sistemas de regulación automáticos de procesos en función de variables físicas y sus valores deseados o requeridos. La disposición y localización de los elementos o instrumentos se describe mediante lazos de instrumentación. Un lazo es un instrumento o combinación de instrumentos dispuestos para medir o controlar una variable de proceso. Por estas razones, se pretende introducir los elementos indispensables relacionados con los aspectos formales de la metrología, las características de los instrumentos de medición, los instrumentos para medir las principales variables físicas encontradas en procesos industriales, la tecnología del control clásico, las relaciones entre los instrumentos para lograr el control de procesos (lazos de instrumentación y control) y, finalmente, las tecnologías emergentes de instrumentación basadas en los modernos sistemas informáticos. El objetivo del presente trabajo es ayudar a que los participantes puedan definir y traducir las necesidades de instrumentación para la supervisión y el control de variables de procesos industriales.
Características metrológicas de los instrumentos. Metrología y estándares de medición. De acuerdo con sus raíces, Metros = Medida y Logos = Tratado, la metrología es la ciencia que trata de las medidas, los sistemas de unidades adoptados y los instrumentos usados para efectuarlas e interpretarlas. La metrología es esencial para el desarrollo del comercio, la industria, la tecnología y la ciencia. Se divide principalmente en: metrología legal, metrología científica y metrología industrial. Además, la metrología abarca abarca varios campos: metrología metrología térmica, eléctrica, eléctrica, acústica, dimensional, etc.
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La metrología legal se encarga encarga de la normalización de las mediciones y de la coordinación de los sistemas metrológicos y sus lineamientos.
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La metrología metrología científica es responsable de los patrones primarios, primarios, del diseño y reproducción de las definiciones internacionales, así como la investigación y mantenimiento de los más altos niveles de exactitud.
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La metrología industrial o técnica es donde donde se localiza el usuario final de la cadena cadena metrológica y es donde se realizan los servicios de calibración, mediante patrones de trabajo, en laboratorios de metrología o en el sitio de manufactura.
La Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM, por sus siglas en francés) coordina a las instituciones nacionales de metrología, http://www.bipm.org/ http://www.bipm.org/. México cuenta con el Centro Nacional de Metrología, CENAM, cuya misión es: "Apoyar a los diversos sectores de la sociedad en la satisfacción de sus necesidades metrológicas presentes y futuras, estableciendo patrones nacionales de medición, desarrollando materiales de referencia y diseminando sus exactitudes por medio de servicios tecnológicos de la más alta calidad, para incrementar la competitividad del país, contribuir al desarrollo sustentable y mejorar la calidad de vida de la población", http://www.cenam.mx/ http://www.cenam.mx/. UTH
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Límites de especificaciones. El Margen del Producto es la diferencia entre la característica promedio del producto y los límites de control de pruebas, que usualmente son los límites pasa / no pasa utilizados en la línea de producción en las pruebas finales bajo condiciones ambientales normalizadas. Ambiente y Deriva representan los posibles cambios en las
características del producto bajo cambios extremos de las condiciones ambientales y el cambio en características dentro del período de calibración. La Incertidumbre de Medición considera la posible dispersión de la medición en el equipo utilizado para caracterizar el producto.
La Banda de Seguridad para el Cliente representa los márgenes considerados necesarios para asegurar que en el peor caso, cualquier unidad de producto suministrada al cliente tendrá mejores características que las publicadas en las especificaciones. ISO 9000. Control de Equipo de Inspección, Medición y Prueba "El equipo se debe utilizar de tal manera que la incertidumbre de medición sea conocida y consistente con la capacidad de medición requerida... determinar las mediciones que deben realizarse, la exactitud requerida... identificar, calibrar y ajustar todo el equipo de inspección, medición y prueba que puede afectar la calidad del producto... con equipo certificado con trazabilidad a patrones nacionales reconocidos... asegurar que el equipo de inspección, medición y prueba es capaz de la exactitud , repetibilidad y reproducibilidad necesarias... “ Ruta hacia la Calidad ¿Qué es el aseguramiento de la calidad? conjunto de actividades planeadas y sistemáticas implantadas dentro del sistema de calidad y demostradas según se requiera para demostrar confianza adecuada de que un elemento cumplirá los requisitos para la calidad. Aseguramiento de las mediciones. ¿Por qué? Como elemento del sistema de calidad. ¿Para qué? Para asegurar la calidad de las mediciones. ¿Quién? El responsable del sistema de medición de la organización y los involucrados en el mismo: operarios, usuarios, clientes internos, calidad, etc. ¿Cómo? Con los elementos sugeridos por la norma ISO 10012-1 y la norma NMX-CC-17/1 Medir bien. Aumenta la confianza de los clientes Permite asegurar la calidad del producto disminuyendo los costos de no-calidad Apoya objetivamente las decisiones de mejora Aumenta la eficiencia en el uso de recursos Facilita la comparación en caso de controversia Reflexiones sobre medición. Se empieza a conocer un concepto cuando se cuantifica.
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La naturaleza impide conocer con certeza absoluta el valor verdadero de una magnitud. La incertidumbre se estima, no es una cuantificación exacta. El resultado de una medición contiene al menos dos cantidades: el valor considerado como más cercano al verdadero y la estimación de la incertidumbre sobre ese valor. Mientras más larga sea la cadena de comparaciones, la incertidumbre será más grande. El nivel de incertidumbre adecuado depende de las necesidades del cli ente. El resultado de una medición depende de todo el sistema. Sistema Internacional de Medidas. U
La Ley Federal sobre Metrología y Normalización establece que el Sistema Internacional es el sistema de unidades oficial en México. El Sistema Internacional de Unidades se fundamenta en siete unidades de base correspondientes a las magnitudes de longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura, cantidad de materia, e intensidad luminosa. Estas unidades son conocidas como el metro, el kilogramo, el segundo, el ampere, el kelvin, el mol y la candela, respectivamente. A partir de estas siete unidades de base se establecen las demás unidades de uso práctico, conocidas como unidades derivadas, asociadas a magnitudes tales como velocidad, aceleración, fuerza, presión, energía, tensión, resistencia eléctrica, y otras. Las definiciones de las unidades de base adoptadas por la Conferencia General de Pesas y Medidas, son las siguientes: El metro (m) se define como la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío en un lapso de 1 / 299 792 458 de segundo (17ª Conferencia General de Pesas y Medidas de 1983). El kilogramo (kg) se define como la masa igual a la del prototipo internacional del kilogramo (1ª y 3ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1889 y 1901). El segundo (s) se define como la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado base del átomo de cesio 133 (13ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1967). El ampere (A) se define como la intensidad de una corriente constante, que mantenida en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable, colocados a un metro de distancia entre sí en el vacío, produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2 X 10-7 newton por metro de longitud (9ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1948). El kelvin (K) se define como la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua (13ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1967). El mol (mol) se define como la cantidad de materia que contiene tantas unidades elementales como átomos existen en 0,012 kilogramos de carbono 12 (12C) (14ª Conf. General de Pesas y Medidas, 1971). La candela (cd) se define como la intensidad luminosa, en una dirección dada de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 Hz y cuya intensidad energética en esa dirección es de 1/683 watt por esterradián (16ª Conferencia General de Pesas y Medidas, 1979). Prefijos decimales estándar en las unidades SI Multiplicador Prefijo Símbolo Multiplicador Prefijo Símbolo 1018 exa E 10-1 deci d 15 -2 10 peta P 10 centi c 1012 tera T 10-3 mili m 109 giga G 10-6 micro µ 6 -9 10 mega M 10 nano n 3 -12 10 kilo k 10 pico p 102 hecto h 10-15 femto f 1 -18 10 deka da 10 atto a P
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Escritura de los símbolos, nombres y números. U
Los símbolos de las unidades SI, con raras excepciones como es el caso del ohm ( Ω), se expresan en caracteres romanos en general con minúsculas; sin embargo, si dichos símbolos corresponden a unidades derivadas de nombres propios, su letra inicial es mayúscula. Los símbolos no van seguidos de punto, ni toman la ese para el plural. Cuando el símbolo de un múltiplo o de un submúltiplo de una unidad lleva un exponente, éste afecta no solamente a la parte del símbolo que designa la unidad, sino al conjunto de dicho símbolo. Por ejemplo, km2 significa (km)2, área de un cuadrado que tiene un km de lado, o sea, 10 6 metros cuadrados y nunca k(m)2, lo que correspondería a 1000 metros cuadrados. El símbolo de la unidad sigue al símbolo del prefijo, sin espacio. P
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Los nombres de las unidades debidos a nombres propios de científicos eminentes deben escribirse con idéntica ortografía que el nombre de éstos, pero con minúscula inicial. No obstante lo anterior, serán igualmente aceptables sus denominaciones castellanizadas de uso habitual, siempre que estén reconocidos por la Real Academia Española (ejemplos: amperio, culombio, faradio, hercio, julio, ohmio, voltio, watio, weberio). Los nombres de las unidades toman una s en el plural (ejem.: 10 newtons), salvo que terminen en s, x o z. En los números, la coma se utiliza solamente para separar la parte entera de la parte decimal. Para facilitar la lectura, los números pueden estar divididos en grupos de tres cifras (a partir de la coma, si hay alguna): estos grupos no se separan jamás por puntos ni comas. La separación en grupos no se utiliza para los números de cuatro cifras que designan un año.
Definiciones básicas. Magnitud: Es una variable física usada para especificar el comportamiento de la naturaleza de un sistema particular. Medida: Es la evaluación de una magnitud hecha según su relación con otra magnitud de la misma especie adoptada como unidad ya sea de manera directa o indirecta. Patrón: Medio materializado, aparato de medición o sistema de medición destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad de medición conocida de una magnitud, para transmitirlo por comparación a otros instrumentos. Trazabilidad: Propiedad de una medición, física o química, o del valor de un patrón, por medio de la cual éstos pueden ser relacionados a referencias establecidas por los patrones apropiados, generalmente nacionales o internacionales, a través de una cadena ininterrumpida de comparaciones. Tolerancia: Es la cantidad total que le es permitido variar a una dimensión especificada determinada por la diferencia entre los límites inferior y superior especificados. Error: Desviación a partir del valor real de la variable medida. Una medida del error es la incertidumbre, diferencia entre los valores máximo y mínimo obtenidos en una serie de lecturas sobre una misma dimensión constante. Para mayor información, se sugiere consultar la norma NMX-Z-055-1997:IMNC, Metrología-Vocabulario de términos fundamentales y generales. 17 de enero de 1997.
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Errores de medición y calibración de instrumentos. Tipos de errores. U
• Errores grandes: Son en general de origen humano, como la mala lectura de los instrumentos, ajuste incorrecto y aplicación inapropiada, así como equivocaciones en los cálculos. Se evitan tomando varias lecturas. • Errores sistemáticos: Se deben a fallas de los instrumentos, como partes defectuosas o gastadas, y efectos ambientales sobre el equipo del usuario. Se evitan mediante una selección apropiada de instrumentos. • Errores aleatorios: Variaciones al azar en parámetros o sistemas de medición. Generalmente son la acumulación de un gran número de errores muy pequeños cuyo origen es difícil de identificar. Estos errores normalmente son de preocupación para mediciones con un alto grado de exactitud. Los errores aleatorios se pueden evaluar estadísticamente.
Los errores sistemáticos pueden ser clasificados en estáticos y dinámicos. U
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Errores estáticos: Si el proceso está en condiciones de régimen permanente, el error es estático. Este error normalmente se origina por las limitaciones de los dispositivos de medición o las leyes físicas que gobiernan su comportamiento. Errores dinámicos: Siempre que las condiciones sean de cambio continuo existirá un error dinámico que se presentará en retrasos en la medición. Esto está influido por el tipo de acoplamiento, los materiales, el proceso a medir, etcétera.
La simple diferencia entre el valor medido y el valor real de la magnitud se denomina error absoluto. La razón entre el error absoluto y el valor real de la magnitud a medir se denomina error relativo y se suele expresar en porciento multiplicándolo por cien. El error relativo nominal se determina mediante la razón entre el error absoluto y el valor nominal o rango del instrumento. El error absoluto y, por lo tanto, el error relativo nominal dependen del tipo y del sistema del medidor.
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Clase de exactitud. Clase de instrumentos que satisfacen ciertos requisitos metrológicos destinados a mantener los errores dentro de límites especificados. En los instrumentos de medición eléctrica, la clase de exactitud de un medidor se determina del mayor error relativo nominal que este pueda producir. Las clases de exactitud están normalizadas en casi todos los países. En la mayor parte de éstos, son siete: 0.1; 0.2; 0.5; 1; 1.5; 2.5; 4;
para mediciones de laboratorios para mediciones de la industria para mediciones aproximadas de control.
Por ejemplo, en un aparato de clase 1.5 su m ayor error relativo nominal no debe superar el 1.5%. Se dice que una clase es más alta cuando el instrumento es más exacto, o sea, cuando su valor numérico es más bajo. Análisis de errores. U
Una medición se puede expresar simplemente por su orden de magnitud o mediante el número de cifras significativas y su incertidumbre. El orden de magnitud es la potencia de diez más cercana al número del valor de la medición. Por ejemplo, el valor de la velocidad de la luz, 300 000=3x105 km/s, tiene un orden de magnitud de 10 5. P
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El número de cifras significativas es el número de dígitos de los que se está suficientemente seguro en una medición. Por ejemplo, el radio de la tierra es de 6 371,02 km; esta cantidad cuenta con 6 cifras significativas. El valor real de una medida es humanamente imposible determinarlo, por lo que para determinar la incertidumbre se emplea el mejor valor de una magnitud, normalmente obtenido por métodos estadísticos. La incertidumbre es un índice del grado de confiabilidad de la medición, se estima mediante el error. La incertidumbre absoluta es la diferencia entre el mejor valor y el valor medido. La incertidumbre relativa se determina como la relación de la incertidumbre absoluta al mejor valor; también se suele expresar, multiplicada por cien, de manera porcentual. Un criterio útil para determinar la incertidumbre de una medición única es asignarle un valor igual al de la mitad de la mínima división de la escala del instrumento de medición empleado. La incertidumbre también se obtiene del límite de error instrumental dado por el fabricante. Considere la medición de potencia eléctrica mediante P=E•I donde E e I se miden como: E=100 ± 2 V e I=10 ± 0.2 A. El valor nominal de la potencia es P = 100 • 10 = 1 000 W Al tomar la peor variación posible de voltaje y corriente, se obtiene: Pmax = 102 • 10.2 = 1 040.4 W Pmin = 98 • 9.8 = 964.4 W B
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La incertidumbre en la potencia resulta de +4.04%, -3.96%. Sin embargo, es poco probable que la potencia esté tan mal hasta estas cantidades. 1
Un análisis más acertado fue propuesto por Kline y McClintock para determinar la incertidumbre del resultado de un conjunto de mediciones ( x 1,...x n) cuya incertidumbre individual ( w 1,...w n) se expresa con las mismas probabilidades: PT
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2 ⎡⎛ ∂ R ⎞ 2 ⎛ ∂ R ⎞ 2 ⎛ ∂ R ⎞ ⎤ w R = ⎢⎜⎜ w1 ⎟⎟ + ⎜⎜ w2 ⎟⎟ + ... + ⎜⎜ wn ⎟⎟ ⎥ ∂ x ∂ x ∂ x ⎢⎣⎝ 1 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎝ n ⎠ ⎥⎦
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1 2
1
Kline, S.J. and McClinttock, F.A., Describing Uncertainties in Single-Sample Experiments, Mech. Eng., p. 3, Jan. 1953.
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Ejercicio: Aplicar este método al ejemplo anterior y demostrar que la incertidumbre esperada es de 2.83% Ejercicio: Un resistor tiene un valor nominal de 10 Ω ±1%. La disipación de potencia se determina en dos formas diferentes: (1) P=E2/R y (2) P=E•I. Las mediciones para ambos métodos son: E = 100 V ± 1% e I = 10 A ± 1%. Calcular la incertidumbre en la determinación de la potencia en cada caso. ¿Qué concluye de los resultados obtenidos? P
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Estándares, Calibración, Contrastación y Verificación Técnica de Instrumentos. U
El estándar o patrón primario es una unidad de valor absoluto extremadamente precisa, certificada que está dentro de las tolerancias permisibles para las unidades absolutas de medición de dicho parámetro. Reconocimiento de patrones. • Patrón nacional: Patrón reconocido por una decisión nacional en un país, que sirve de base para asignar valores a otros patrones de la magnitud concerniente. • Patrón internacional: Patrón reconocido por un acuerdo internacional, para utilizarse internacionalmente como base para asignar valores a otros patrones de la magnitud concerniente. Tipo de patrones. • Patrón primario: Patrón que es designado o reconocido ampliamente como un patrón que tiene las más altas cualidades metrológicas y cuyo valor es aceptado sin referencia a otros patrones de la misma magnitud. • Patrón secundario: Patrón cuyo valor es establecido por comparación con un patrón primario de la misma magnitud. Nivel de Patrones. • Patrón de referencia: en general de la más alta calidad metrológica disponible en un lugar dado o en una organización determinada del cual se derivan las mediciones realizadas en dicho lugar. • Patrón de trabajo: utilizado rutinariamente para calibrar o verificar medidas materializadas o instrumentos de medición. Usualmente este patrón es calibrado contra los de referencia. Uso de Patrones. • Patrón de transferencia: utilizado como intermediario para comparar patrones. • Patrón viajero: de construcción especial destinado a ser transportado a distintos lugares. La calibración es la verificación de que un instrumento es capaz de indicar, medir, registrar o controlar las variables del sistema a los valores establecidos para una aplicación específica. En los casos en que el instrumento lo permita, incluye el ajuste de su operación. Los procedimientos de calibración implican una comparación del instrumento particular con: 1) un patrón o estándar primario; 2) un patrón o estándar secundario con una mayor exactitud, por lo menos en un factor de 10, que la del instrumento que se calibra, o 3) con una fuente de entrada conocida. El intervalo de calibración depende de la exactitud y del tipo de estándar que se mantiene. ¿Quién debe calibrar mis instrumentos? • Laboratorio de metrología externo.
¿Dónde se deben calibrar los instrumentos? • En el laboratorio de metrología. • Calibración “in situ” .
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• Laboratorio de metrología propio. La contrastación consiste en la comparación del instrumento con otro instrumento o sistema de medición de mayor exactitud recopilando los resultados de la comparación para verificar y documentar los errores relativos nominales del instrumento en todo su rango de trabajo, normalmente mediante una gráfica. La verificación técnica del instrumento consiste en la determinación de sus características de operación comparándolas con las especificaciones del fabricante. La verificación incluye la calibración y/o la contrastación del instrumento. Ésta se hace necesaria en los siguientes casos: antes de que el instrumento salga a la venta, cuando se adquiere el instrumento y se quiere comprobar que cumpla las especificaciones del fabricante, cuando tiene bastante tiempo funcionando y se requiere saber si aun se encuentra entre los límites de precisión requeridos y después de su reparación.
Introducción a la Instrumentación Industrial. En buena medida, la información, normas y avances en instrumentación y control están recopiladas y distribuidas en América por "The International Society for Measurement and Control" conocida como ISA (http://www.isa.org/). En México, Sociedad de Instrumentistas de América, Sección México, A.C. TUH
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Definiciones en instrumentación y tipos de instrumentos. instrument 1. A device used directly or indirectly to measure and/or control a variable. The term includes primary elements, final control elements, computing devices, and electrical devices such as annunciators, switches, and pushbuttons. The term does not apply to parts (e.g., a receiver bellows or a resistor) that are internal components of an instrument [S5.1]. 2. A device that performs some analysis of the sample fluid and for which a sample line is required and connected. Also referred to as "analyzer" or "monitor" [S67.10]. 3. A device for measuring the value of an observable attribute; the device may merely indicate the observed value, or it may also record or control the value. 4. Measuring, recording, controlling, and similar apparatus requiring the use of small to moderate amounts of electrical energy in normal operation. instrumentation 1. A collection of instruments or their application for the purpose of observation, measurement or control [S51.1]. 2. A collection of instruments or their application for the purpose of observation, measurement, control or any combination of these [S5.1]. 3. A collection of instruments and associated equipment or their application for the purpose of observation, measurement, signal transmission, signal conversion, data storage, or any combination of these [S5.1]. Estructura general de un instrumento de m edición. U
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Clases de instrumentos. U
Por la función: • Ciegos • Indicadores • Registradores • Elementos primarios • Transmisores • Transductores • Convertidores • Receptores • Controladores • Actuadores
Por la variable: • Caudal o flujo • Nivel • Presión • Temperatura • Densidad y peso específico • pH • Conductividad • Peso, fuerza • Otras variables
Símbolos en instrumentación industrial (Norma ISA-S5.1-84). U
Un diagrama de instrumentación es una descripción gráfica de un proceso que muestra una vista general de los instrumentos empleados en un formato estándar. En el diagrama está identificado cada instrumento, su función y su relación con los otros componentes del proceso. El símbolo ordinario para representar un instrumento es un círculo que contiene líneas, letras y números que identifican la localización del instrumento, su función en el proceso y especifica si el instrumento es empleado para indicar, medir, almacenar o controlar una variable. El círculo se emplea para instrumentos autónomos, un círculo encerrado por un cuadrado indica un instrumento que tiene desplegado o control compartido, un hexágono denota funciones de computadora y un cuadrado con un rombo interno identifica controladores lógicos programables. Un instrumento multifunción deberá simbolizarse por tantos círculos como variables de medida, salidas y/o funciones tenga. Las líneas se emplean para informar como están montados los instrumentos: línea continua para montaje en panel, doble línea para montaje en localidad auxiliar, línea de trazos para montaje atrás del panel y ausencia de línea para montaje en campo. En el interior del símbolo se presenta una etiqueta alfanumérica o código de identificación de instrumentos en los lazos de instrumentación. La etiqueta o código de identificación contiene dos tipos de información: la identificación funcional del instrumento y la identificación del lazo de control en el que está inserto.
TRC
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Primera Letras Número Sufijo letra sucesivas del lazo (opcional) Identificación funcional Identificación del lazo o bucle Un lazo de instrumentación y control es un instrumento o combinación de instrumentos dispuestos para medir y controlar una variable de proceso. Cada lazo debe estar identificado por un número. Cada instrumento en el lazo debe tener asignado el mismo número del lazo. Si un instrumento es común a dos
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o más lazos, entonces se emplea el número del lazo considerado predominante. Si un lazo tiene más de un instrumento con la misma identificación funcional, debe añadirse un sufijo diferente a cada instrumento. LETRAS DE IDENTIFICACIÓN 1ª Letra Letras sucesivas Variable medida Letra de Función de lectura Función de salida modificación pasiva Alarma A Análisis Libre Libre B Llama (quemador) Control C Conductividad D Densidad o peso Diferencial específico Elemento primario E Tensión (fem) Relación F Flujo o caudal Vidrio G Calibre H Manual Indicador I Corriente eléctrica Exploración J Potencia Estación de control K Tiempo Luz piloto L Nivel M Humedad Libre Libre N Libre Orificio O Libre Punto de prueba P Presión o vacío Integración Q Cantidad Registrador R Radioactividad Seguridad Interruptor S Velocidad o frecuencia Transmisor T Temperatura Multifunción Multifunción U Multivariable Válvula V Viscosidad Vaina W Peso o fuerza Sin clasificar Sin clasificar X Sin clasificar Relee o computador Y Libre Elemento final de Z Posición control sin clasificar
Letra de modificación Libre
Alto
Bajo Medio o intermedio Libre
Multifunción Sin clasificar
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Características estáticas de los instrumentos. Las características estáticas o de estado estable describen las relaciones que pueden ocurrir entre la salida y la entrada de un instrumento, cuando la entrada permanece en un valor constante o cambia lentamente. Algunas de las características pueden cuantificarse con precisión por medios matemáticos o gráficos otras por medios estadísticos. Campo de medida o alcance (range). Espectro o conjunto de valores de la variable de medida o señal de entrada que están comprendidas dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento. Se expresa estableciendo los dos valores extremos. Por ejemplo, el campo de medida de un termómetro es de 100 a 300 °C y un termopar puede tener un campo de medida de 100 a 250 °C y un campo de salida de 4 a 10 mV. Intervalo (span): Es la diferencia algebraica entre los dos límites del campo de medida del instrumento. Del ejemplo del termómetro anterior el intervalo o alcance es de 200 °C. Por ejemplo, el termopar anterior tiene un intervalo de entrada de 150 °C y un intervalo de salida de 6 mV. Sensibilidad. Es la razón de cambio de la señal de salida respecto al cambio de la señal de entrada que lo ocasiona, una vez alcanzado el estado de reposo. Linealidad. Un instrumento es lineal si los valores correspondientes de entrada y salida están sobre una línea recta. Si esta relación no se cumple, se dice que el instrumento es no lineal. La no linealidad se expresa como la máxima desviación de l a relación real a la aproximación lineal: No
linealidad máxima ˆ N = x 100 Omax − Omin
en
%
La magnitud de la no linealidad depende de la línea recta ideal que se escoja en el proceso de calibración. Algunas relaciones típicas entre las señales de entrada y de salida son: • Logarítmicas • Exponenciales • Cuadráticas • Polinomiales. Ejemplo: Un termopar de cobre - constantan se representa con un polinomio que relaciona el voltaje de salida E(T) en µV con la temperatura de entrada T en °C: E(T) = 38.74 T + 3.319 X 10 -2 T2 + 2.071 X 10-4 T3 - 2.195 X 10 -6 T4 + términos de orden superior hasta T 8. Para un alcance de 0 a 400°C, ya que E = 0 µV a T=0 y E = 20869 µV a T= 400°C. ¿Cuál es la ecuación de la línea recta ideal? P
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20869 ∴ E(T)ideal = 52.17 T. = 52.17 400 La función de corrección no lineal es: N(T) = E(T) - E ideal N(T) = -13.43 T + 3.319 X 10-2 T2 + 2.071 X 10 -4 T3 - 2.195 X 10-6 T4 Se calcula la pendiente m =
B
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P
P
P
B
P
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P
⎛ 3300 ⎞ ⎟ + 273 T ⎝ ⎠
Un ejemplo de función exponencial es la resistencia de un termistor dada por: R(T ) = 0.04e⎜
Saturación. Es el área en la cual el instrumento ha sobrepasado su capacidad máxima de operación por lo que se presenta un comportamiento distinto a la operación normal y por lo tanto, no confiable.
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P
Histéresis. Para un valor determinado de entrada, la señal de salida del instrumento puede ser diferente cuando se le aproxima al punto desde direcciones opuestas (aumentando o disminuyendo la señal de entrada). Por ejemplo: un termómetro en un objeto de 50 °C indica 49°C cuando el objeto pasa de más frío a más caliente y 51° C cuando pasa de caliente a más frío. En este caso la histerésis es ± 1° C. Resolución. Algunos instrumentos se caracterizan por una salida que crece en una serie de escalones o saltos discretos en respuesta a un aumento continuo en la entrada. La resolución se define como el mayor cambio en la entrada (I) que puede ocurrir sin cambio correspondiente en la salida (O): Zona muerta. Es el área de valores de la señal de entrada que no hace variar la señal de salida o la indicación del instrumento, es decir, que no produce respuesta. Bandas de error . Los efectos de la no linealidad, la histéresis y la resolución en muchos instrumentos son tan reducidos que resulta difícil e inconveniente cuantificar cada efecto individual. En estos casos el fabricante define el desempeño en términos de bandas de error indicando que para cualquier valor de la señal de entrada, la señal de salida estará dentro de un valor ±h del valor de la línea recta ideal. Repetibilidad. Es la capacidad de producir la misma señal de salida con la misma señal de entrada en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo de medida. Exactitud ( accuracy ). Indica la desviación de la lectura o señal de salida respecto a una señal de entrada conocida. Se cuantifica en términos de error, o sea, se expresa como la razón de la máxima desviación de un valor indicado por el instrumento con respecto al valor ideal. Normalmente este valor se da en porcentaje. Por ejemplo, un sensor de desplazamiento lineal idealmente debería generar 1 mV por 1 mm de desplazamiento. Sin embargo, en un experimento, un desplazamiento de 10 mm produjo una salida de 10.5 mV. Considerando sólo este valor de mV se esperaría que el desplazamiento hubiera sido de 10.5 mm que es 0.5 mm más que la realidad. Esta desviación indica una exactitud de 5%. Al valor de la desviación se le llama error. Precisión. La precisión de un instrumento indica su capacidad para reproducir cierta lectura con una exactitud dada. Como ejemplo, se mide un voltaje conocido de 100 V con cierto voltímetro y se toman 5 lecturas. Los valores encontrados son 104, 103, 105, 103, 105. Dadas estas lecturas, ¿cuál es la exactitud y cuál es la precisión del instrumento? Respuesta: Ya que la desviación máxima del instrumento es 5 V de la entrada real de 100 V, se tiene una exactitud de 5%. La precisión del instrumento la da la máxima desviación de la media de las lecturas, en este caso, ±1%. Los límites de precisión incluyen los efectos de histéresis, banda muerta, calibración y errores de repetibilidad. Y son distintos para cada unidad. La representación de la exactitud puede darse de diversas maneras: 1) Directamente en términos de valor medido. 2) En porciento de la escala completa ( input span o full scale). 3) En términos de la señal de salida. Ejercicio: Un sensor de precisión piezoresistivo tiene capacidad para una entrada de 100 kPa a escala completa y una salida de 10 Ω a escala completa. Su exactitud se específica como ±0.5%. Ponga este valor en sus otras dos formas
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Efectos ambientales. En general, la señal de salida de un instrumento no solo depende de la señal de entrada sino también de entradas ambientales tales como la presión atmosférica, la temperatura ambiente, la humedad relativa, etc. Por tal motivo, las características de operación suelen definirse a condiciones ambientales "estándar" tales como: 25 °C de temperatura ambiente, 1000 mb de presión atmosférica, 80% de humedad relativa, etc. Desgaste y envejecimiento. Estos efectos pueden hacer que las características de un instrumento cambien lenta pero sistemáticamente en su periodo de duración. Por ejemplo, la rigidez de un resorte que decrece lentamente a causa del desgaste. Condiciones de almacenamiento. Tiempo máximo y mínimo, humedad relativa máxima y mínima, presencia de gases, etc. Estabilidad de largo plazo. Se refiere al envejecimiento de los materiales que repercute en un cambio irreversible en las propiedades eléctricas, mecánicas, químicas o térmicas del sensor. Algunos instrumentos se pueden someter a envejecimiento acelerado para mejorar sus características. Efectos térmicos. Se suelen especificar por los límites de operación. Ejemplo: Exactitud:
± 1 % de 0 a 50°C. ± 2 % de - 20 a 0°C y de 50 a 100°C. ± 3 % fuera de esos límites.
Límites de operación. Valores extremos donde puede operar el instrumento. Por ejemplo, de - 40 a 150°C de temperatura. Error de autocalentamiento. Se especifica cuando una señal de excitación es absorbida por un sensor y su temperatura afecta de tal manera que varía la exactitud. Ejercicio: Investigar y estudiar todas las especificaciones de algún sensor.
Características dinámicas de los instrumentos. Las características dinámicas muestran el comportamiento del instrumento en función del tiempo. Algunas características con dependencia del tiempo son las siguientes. Tiempo de calentamiento. El tiempo que tarda el instrumento desde su excitación hasta que puede funcionar con la exactitud especificada. Respuesta en frecuencia. Especifica qué tan rápido el sensor reacciona a un cambio en el estímulo de entrada. Una especificación típica es la caída de -3dB. Esto indica a que frecuencia la respuesta cae en ≈30%. Se puede especificar la frecuencia máxima, que sería la frecuencia más alta a la que el sensor responde. Frecuencias de corte alta y baja: Alta: Indica que tan rápido el sensor reacciona al estímulo y frecuencia máxima de operación. Baja: Indica que tan lento puede ser el estímulo para que el sensor lo procese. Velocidad de respuesta. Esta es una especificación muy relacionada con la respuesta a la frecuencia, se especifica en unidades de estímulo / unidades de tiempo. El tipo de especificación que se provee depende del tipo de sensor, la aplicación y la preferencia del diseñador. Como para muchos sistemas ingenieriles, los instrumentos responden a los modelos matemáticos descritos por ecuaciones diferenciales ordinarias de coeficientes constantes, en su mayoría de primer y d 2o do + a0o = f (t ) . El orden de la ecuación diferencial corresponde a la mayor segundo orden: a2 2 + a1 dt dt
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derivada en la ecuación. En concordancia con el modelo que mejor describa el comportamiento dinámico del instrumento éstos se denominan como sistemas de prim er o de segundo orden. Para sistemas de primer orden: Constante de tiempo. Es una medida de la inercia del sensor τ. Ejemplo: Para el sistema
⎛ ⎛ ⎜⎝ − τ t ⎞ ⎠⎟ ⎞ ⎟ en el que o = om ⎜1 − e ⎜ ⎟ ⎝ ⎠
om es la respuesta de estado estable. Al sustituir t
= τ , la salida es de 0.6321 veces la respuesta de estado estable. Esto es, en el tiempo τ habrá alcanzado el 63% del estado estable. Asimismo, se obtiene que en 2 τ llega al 86.5% y en 3 τ al 95%. Para sistemas de segundo orden: Desfasamiento ("phase shift"). Define el retraso de la señal de salida c on respecto al estímulo. Frecuencia de resonancia. Indica a que frecuencia la respuesta del sensor es mayor. Amortiguamiento. Es la reducción progresiva o supresión de la oscilación de un instrumento.
• Críticamente amortiguado: Cuando la respuesta es tan rápida como sea posible sin sobretiro. • Bajo amortiguado: Cuando hay sobretiro. • Sobre amortiguado: Cuando la respuesta es más lenta que el críticamente amortiguado. La función de transferencia de segundo orden es de la siguiente forma s
2
+ 2ξω n + ω n2 ; donde ω n es
la frecuencia natural, s es la variable compleja y ξ es la razón de amortiguamiento. Para un sistema críticamente amortiguado ξ = 1 . En general, ξ =
⎛ σ ⎞ ⎜ ⎟ ; donde σ es la parte real de la 2 2 ω n ⎜ σ + ω n ⎟ ⎝ ⎠ σ
variable compleja.
Variables importantes de procesos industriales y su medición. Temperatura. La temperatura es la variable física más comúnmente medida en procesos industriales. En un sistema con un gran número de partículas, la temperatura del sistema es una cantidad relacionada con la energía promedio de las partículas:
E k ,=
1 1 1 ( ∑i mi vi2 ) = mv 2rms N 2 2
Un sistema que tiene la misma temperatura a través de todas sus partes, de modo que la energía cinética promedio de las partículas en cualquier región del sistema es la misma, se dice que está en equilibrio térmico. El valor promedio del trabajo externo o la energía intercambiada entre un sistema y el medio que lo rodea debido a intercambios individuales de energía que ocurren como resultado de choques entre moléculas del sistema y moléculas del medio que lo rodea se llama calor (Q), siempre que no pueda expresarse microscópicamente como fuerza por distancia. El calor se expresa en joules en el S.I. aunque también se suele expresar en calorías: 1 caloría = 4.184 J
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Principio de conservación de la energía: El cambio de energía interna de un sistema es igual al calor absorbido más el trabajo externo efectuado sobre el sistema. U - U 0 = Q + W EXT = Q + W SIST B
B
B
B
B
B
La transferencia de calor se efectúa mediante uno o más de los mecanism os de conducción, convección y radiación. La conducción es el principal mecanismo en cuerpos sólidos. La temperatura debería ser expresada en joules por partícula; sin embargo, es costumbre expresarla en grados. En el S.I. se emplea la escala absoluta cuya unidad es el Kelvin (K): 1 K = 1.38 x 10 -23 J/partícula = 8.61 x 10 -4 eV/partícula. Constante de Boltzmann: 1.38 x 10 -23 [J/K]. P
P
P
P
P
P
Otra escala usual de temperatura es la Celsius basada entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua a la presión atmosférica normal. Es crítico recordar que la medir temperatura el instrumento no modifique la temperatura a medir ni afecte el tiempo de respuesta de la medición. Los instrumentos de temperatura se basan en diversos fenómenos que son influidos por la temperatura permitiendo clasificarlos en los siguientes:
• • • •
Por efectos mecánicos. La medición se basa en un cambio de dimensión mecánica al cambio de temperatura termómetros de vidrio, bimetálicos, de bulbo). Por efectos eléctricos. Miden la temperatura mediante un cambio de resistencia eléctrica (RTD, termistores), un cambio de tensión (circuitos integrados) o un cambio de fuerza electromotriz generada (termopares) con dependencia de la temperatura. Por radiación. Miden la temperatura mediante la intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación). Otros efectos.
Los termómetros tipo bulbo se clasifican en: o Clase I: actuados por líquido. o Clase II: actuados por vapor. o Clase III: actuados por gas. o Clase IV: actuados por mercurio. Los termómetros de resistencia emplean un resistor detector de temperatura (RTD) elaborado de material de alto coeficiente de temperatura de resistencia como el platino, el níquel y el cobre. La conductividad del material cambia con la temperatura de manera no lineal. Sin embargo, para un rango pequeño de temperaturas se puede aproximar mediante la siguiente expresión, usando α que es el coeficiente de temperatura de la resistencia (TCR). R = R0 [1 + α (T − T 0 )] ; donde R0 es la resistencia óhmica a la temperatura de referencia T 0 .
Para mayor exactitud en un rango más amplio: y l en Ωm.
l
= 4.45 + 0.0269T + 1.914 x10−6 T 2 ; donde T está en °C
La medición de la resistencia, y por lo tanto de la temperatura, se suele realizar mediante un puente de Wheatstone dispuesto en montajes de dos hilos, tres hilos o cuatro hilos. Los metales tienen coeficientes de temperatura positivos (PTC) mientras que muchos óxidos y semiconductores tienen coeficientes de temperatura negativos (NTC). El termistor es un semiconductor de coeficiente negativo de temperatura de resistencia de valor elevado empleado en termómetros de resistencia. Además, la resistencia sigue una función exponencial con la temperatura. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales. Presentan elevada sensibilidad y tiempo de respuesta. Los circuitos integrados basan su funcionamiento en el efecto de la temperatura sobre la caída de tensión en una unión p-n (diodo) polarizada directamente. La ecuación de corriente del diodo conductor es:
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⎛ 2qV ⎞ I = I s ⎜ e kT − 1⎟ ; donde I s es la corriente de saturación, q es la carga del electrón, ⎜ ⎟ ⎝ ⎠
V es la caída de
tensión, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura. De esta ecuación se deduce la relación caída de tensión en función de la temperatura resultando la siguiente ecuación: E g 4.6kT V = − (ln M − ln I ) ; donde E g es la banda de energía del silicio a 0 K y M es una q q constante independiente de la temperatura. La tensión del diodo es linealmente dependiente de la temperatura a condición de mantener la corriente constante. Los circuitos integrados (I.C., por sus siglas en inglés) sensores de temperatura aseguran esta condición y se fabrican para proporcionar ya sea una tensión o una corriente de salida en función de la temperatura a medir. La medición de temperatura más común es mediante termopares debido a la variedad de metales disponibles que pueden soportar ambientes hostiles. El termopar se forma por la unión de extremos de dos materiales distintos y presentan una fuerza electromotriz (fem) entre sus extremos libres la cual es una función de la temperatura según el efecto Seebeck. Al conectar el termopar a un circuito cerrado circula una corriente que puede alterar la fem debido al efecto Peltier. Además, si la temperatura no es uniforme en los materiales del termopar, la fem puede alterarse por el efecto Thomson. Los pirómetros de radiación se basan en la ley de Stefan-Boltzmann que establece que la intensidad de energía radiante en J/s por unidad de área emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo. Los instrumentos que miden la temperatura mediante la radiación óptica son pirómetros ópticos mientras que los que miden toda la radiación son pirómetros de radiación total. La principal ventaja del pirómetro es la ausencia de contacto con el cuerpo cuya temperatura se desea medir y se emplea para muy altas temperaturas.
Presión. La presión es una fuerza por unidad de área. La unidad de medida en el S.I. es el pascal (Pa) aunque suelen emplearse otras unidades tales como atmósferas, bar, y libras por pulgada cuadrada (psi). El pascal es un newton por metro cuadrado. La presión de un fluido resulta de un intercambio de la cantidad de movimiento entre las moléculas del fluido y la pared que lo contiene; pero el intercambio total de la cantidad de movimiento depende del número total de moléculas que chocan con la pared por unidad de tiempo y la velocidad promedio de las moléculas. Para un gas ideal: p =
1 nmv 2 rms ; donde n es densidad molecular, moléculas / unidad de 3
volumen, m = masa molecular y vrms = raíz cuadrada media de la velocidad molecular. Esta última se 3kT determina como: v rms = ; donde T = temperatura absoluta del gas y k es la constante de vm Boltzman. B
B
En general, la presión se mide ya sea en forma absoluta o en forma diferencial: Presión absoluta. Se refiere al valor absoluto de la fuerza por unidad de área ejercida en la pared que contiene a un fluido. Presión atmosférica. Es la presión ejercida por la atmósfera y medida mediante un barómetro. Esta presión se expresa con frecuencia en términos de la altura de una columna de mercurio. La presión atmosférica estándar es de 760 mm de mercurio con una densidad de 13.5951 g/cm 3 a 20°C P
P
Presión diferencial. Diferencia entre dos presiones. Presión relativa o manométrica. Presión diferencial entre la presión absoluta y la presión atmosférica local.
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Vacío: Representa la cantidad en que la presión atmosférica excede a la presión absoluta. Los instrumentos de presión (barómetros o manómetros) se clasifican por su principio de operación en: • Mecánicos • Neumáticos • Electromecánicos • Electrónicos Los instrumentos de presión mecánicos operan ya sea comparando la presión con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas (barómetro de cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, entre otros) o mediante elementos elásticos que se deforman por la presión ejercida del fluido que contienen (tubo Bourdon, espiral, helicoidal, diafragma y fuelle entre los más representativos). Los instrumentos de presión neumáticos basan su operación en el sistema tobera-obturador y se destinan principalmente como transmisores. Los instrumentos de presión electromecánicos combinan un elemento mecánico elástico con un transductor eléctrico. Por su operación, estos instrumentos pueden ser: • Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas. • Resistivos. • Magnéticos. • Capacitivos. • Extensométricos (galgas extensométricas). • Piezoeléctricos. Los instrumentos de presión electrónicos se emplean para la medición de alto vacío, son muy sensibles y se clasifican en: • Mecánicos. • McLeod. • Térmicos. • Ionización. La calibración de los instrumentos de presión industriales suele realizarse mediante medidores de peso muerto. Estos probadores se basan en un pistón en el que se colocan pesos para ejercer una presión sobre un fluido para activar al instrumento bajo calibración.
Nivel y flujo. La variable nivel es muy importante para el funcionamiento correcto de procesos industriales tales como evaporadores, calderas, columnas de destilación, reactores químicos y otros. Su importancia radica en la consideración del balance adecuado de m aterias primas y de productos finales. El nivel representa la cantidad de materia contenida en un depósito y se determina mediante la medición de la altura que alcanza el contenido sobre una línea de referencia relacionada con la capacidad del depósito. En consecuencia, la unidad de medida del nivel en el S. I. es el metro (m). Según el estado de la materia los instrumentos de nivel pueden ser: • Medidores de nivel de líquidos. • Medidores de nivel de sólidos. • Medidores de nivel de interfaz entre líquidos o líquido y vapor. Según el principio del método de medición los instrumentos de nivel son: • Métodos mecánicos. • Métodos de presión hidrostática. • Métodos eléctricos y electrónicos. • Otros métodos.
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Son instrumentos de nivel mecánicos los siguientes: • Mediante varilla graduada. • Mediante mirilla de vidrio. • Mediante cinta y plomada. • Mediante un sistema de flotadores. Los instrumentos de nivel por presión hidrostática se basan en que la altura de nivel es la razón entre la presión ejercida en el fondo del depósito y la densidad del material. A este tipo pertenecen los siguientes: • Medidor manométrico. • Medidor de membrana. • Medidor de tipo burbujeo. • Medidor de presión diferencial de diafragma. Entre los instrumentos de nivel eléctricos y electrónicos se consideran: • Mediante electrodos motorizados. • Interruptores de aleta para sólidos. • Medidores conductivos o resistivos. • Medidor capacitivo. • Medidor ultrasónico. • Medidor de radiación. • Medidor de láser. La variable flujo representa el movimiento de fluidos tanto líquidos como gaseosos empleados en diversos procesos industriales. A esta variable también se le denomina gasto o caudal. Se expresa en unidades de volumen de masa por unidad de tiempo, m 3/s en el S.I., para flujos volumétricos o en unidades de masa por unidad de tiempo, kg/s en el S.I., para flujos másicos. Entre los principales instrumentos de flujo se encuentran los siguientes: P
P
Tipo Principio Instrumento Medidores Desplazamiento positivo Disco giratorio Volumétricos Pistón oscilante Pistón alternativo Medidor rotativo Medidor paredes deformables Presión diferencial Tubo vénturi Boquilla o tobera Placa de orificio Tubo Pitot Tubo Annubar Área variable Rotámetro Velocidad Vertedero con flotador en canales abiertos Turbina Sondas ultrasónicas Fuerza Placa de impacto Tensión inducida Medidor magnético Torbellino Medidor de frecuencia de termistancia Oscilante Válvula oscilante Medidores Térmico Diferencia de temperaturas en dos sondas Másicos Momento Medidor axial Medidor axial de doble turbina Fuerza de Coriolis Tubo en vibración
Control de procesos industriales. El control es la función fundamental de la ingeniería y la administración cuyo propósito principal es medir, evaluar y ajustar la operación de un proceso, una máquina o un sistema en condiciones dinámicas, de tal modo
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que logre objetivos deseados dentro de especificaciones planeadas y de acuerdo con factores de costo y seguridad. El término control automático significa autocorrección o control por retroalimentación; una explicación sencilla de este concepto se puede ilustrar con las siguientes palabras: 1. Algún instrumento de control está monitoreando continuamente ciertas variables de salida de un proceso controlado. 2. Está comparando esta salida con ciertos valores deseados preestablecidos. 3. Cualquier error resultante que se obtenga en esta comparación se usa para calcular la corrección requerida para ajustar el control del equipo controlado. 4. En consecuencia, el valor de la variable de salida se ajustará a su nivel deseado y se mantendrá en él. Este tipo de control se conoce como servomecanismo. Un lazo de control típico se conforma por el proceso, el instrumento de medición, el instrumento controlador y el elemento final de control (válvula de control, por ejemplo).
Lazos de control. 1. Sistemas de control de LAZO ABIERTO. Un sistema de control de lazo abierto no tiene retroalimentación por lo que ni la salida ni otras variables del sistema tienen efecto sobre el control de la salida. También es conocido como control manual. 2. Sistemas de control de LAZO CERRADO. En un sistema de control de lazo cerrado, la salida del sistema retroalimenta al controlador por lo que su variación y otras variables no afectan el control del sistema. Ya que no requiere de la intervención de operadores para s u funcionamiento se considera automático. Generalmente un lazo abierto de control es más simple y pudiera parecer que es mejor ya que resulta es menos complejo y además no tiene problemas de estabilidad. Sin embargo, el problema es que su funcionamiento se degrada si los parámetros del sistema cambian. Para el diseño y uso de un control de lazo cerrado, por retroalimentación, es necesario conocer cada uno de los bloques que lo conforman. Es importante conocer: la respuesta dinámica, que se obtiene a partir de las ecuaciones diferenciales que definen a cada elemento del sistema. Se trabaja también con la función de transferencia, concepto esencial en la teoría de control. Existen algunos factores que complicarán un poco los análisis y el logro del control automático: o Velocidad de respuesta (muy lenta o muy rápida). o Interacción multivariable. o No linealidades. o Limitaciones de la respuesta (saturación). Exactitud. o
• El control automático del proceso siempre implica el uso de retroalimentación. • Si se altera el punto de control, la respuesta del sistema de control para llevar al proceso al nuevo nivel de operación se denomina respuesta de un "servomecanismo" o "dispositivo de autocorrección". • La acción de sostener el proceso en un punto de operación previamente establecido ante alteraciones externas sobre el proceso se denomina acción de un "regulador". Los instrumentos detectan alguna propiedad física, eléctrica u otra propiedad informativa de la variable estudiada y la usan para desarrollar una señal eléctrica, mecánica o neumática representativa de la magnitud de la variable en cuestión. Después actúa sobre la señal un transductor para convertirla en uno de los niveles estándar usado en plantas industriales; (de 3 a 15 lb/pulg 2 para sistemas neumáticos; de 1 a 4 mA; de 4 a 20 mA; de 10 a 50 mA; de 0 a 5 volts para sistemas eléctricos); las señales también pueden estar digitalizadas. P
P
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Control clásico. Todos los estudios teóricos y prácticos tratan con sistemas como los de la figura anterior. Se usó ampliamente hasta mediados de 1950. De las aportaciones importantes están los estudios sobre la estabilidad de sistemas. Se desarrollaron técnicas de diseño basadas en los métodos de: lugar de raíces, diagramas de Bode, diagramas de Nyquist y diagramas de Nichols. Las acciones de control o tipos de reguladores en el control clásico son las siguientes: Control de dos posiciones (todo-nada) o Proporcional de tiempo variable (PWM) o Proporcional (P) o Proporcional + Integral (PI) o Proporcional + Derivativo (PD) o Proporcional + Integral + Derivativo (PID) o Control de dos posiciones. Se basa en fijar límites de la variable a controlar de manera que al llegar a éstos el controlador actúa rápidamente accionando o no al elemento final de control. Ejemplos son el control de nivel de agua en tinacos con flotador y el control de calentadores domésticos de agua. Control proporcional. Se caracteriza por mantener una relación lineal entre la acción de control, m(t), y el error, e(t), resultante de comparar el valor de referencia con el valor actual de la variable. La constante de proporcionalidad se denomina ganancia del controlador. El inverso de la ganancia se m(t ) = K P e(t ) denomina banda proporcional (BP )que expresada en porciento es el porcentaje de variación de la variable controlada necesaria para provocar una M ( s) carrera completa del elemento final de control. = K P 100 BP % = E ( s ) K P Control proporcional-integral (PI). Se caracteriza por la acción integral de control que varía la razón de cambio de la salida del controlador proporcionalmente al error. K t d m(t ) = K P e(t ) + P e(t ) dt T es el tiempo integral, se acostumbra expresar m(t ) = K I e(t ) I T I 0 dt con su recíproco (frecuencia de reposición) en M ( s) K I M ( s) 1 repeticiones por minuto indicando el número de = = K P (1 + ) veces por minuto con que se repite la acción E ( s ) s E ( s) sT I proporcional.
∫
Control proporcional-derivativo (PD). En este tipo de acción de control, la acción derivativa varía a la señal de control en proporción con la razón de cambio del error. Esta acción suele llamarse de velocidad, pero nunca puede tenerse sola pues es efectiva sólo en periodos transitorios. m(t ) = K P e(t ) + K P T D M ( s ) E ( s )
= K P (1 + sT D )
d dt
e(t )
La proporción está dada por el tiempo derivativo, T D , intervalo de tiempo en que la acción de velocidad se adelanta al efecto de acción proporcional (minutos de anticipo).
Control proporcional-integral-derivativo (PID). Este tipo de acción de control combina los tres tipos de reguladores inmediatos anteriores ya descritos. K t d m(t ) = K P e(t ) + P e(t ) dt + K P T D e(t ) T I 0 dt Tipos de procesos. M ( s ) 1 = K P (1 + + sT D ) E ( s) sT I Los procesos industriales pueden ser, además de continuos, discretos y por lotes.
∫
U
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Procesos discretos. En estos procesos, el producto de salida se obtiene a través de una serie de operaciones, muchas de ellas con gran similitud entre sí. La materia prima sobre la que se trabaja es habitualmente un elemento discreto que se trabaja en forma individual. Procesos discontinuos o por lotes. En este tipo de procesos, se reciben a la entrada las cantidades de las diferentes piezas discretas que se necesitan para realizar el proceso. Sobre este conjunto se realizan las operaciones necesarias para producir un producto acabado o un producto intermedio listo para un procesamiento posterior. Controladores secuenciales. U
Los procesos discretos y discontinuos tienen gran similitud entre ellos. Ambos procesos podrán controlarse mediante el mismo tipo de sistema de control, llamado controlador secuencial. Los procesos que se pueden controlar en forma secuencial tienen las siguientes características:
• • • •
El proceso se puede descomponer en una serie de estados que se activarán en forma secuencial. Cada uno de los estados cuando está activo, realiza una serie de acciones sobre los actuadores. Las señales procedentes de los sensores, controlan la transición entre estados. Las variables empleadas en el proceso y sistema de control, son múltiples y generalmente de tipo discreto, solo toman dos valores: activado o desactivado.
Dependiendo de cómo se realice la transición entre los estados, los controladores secuenciales pueden ser de dos tipos: asíncronos y síncronos. Asíncronos. La transición entre estados se produce en el mismo instante en que se produce una variación en las variables de entrada. Síncronos. La transición a un estado determinado se produce en función de las variables de entrada y de la variable asociada al estado anterior. Las variables de entrada y la variable interna (asociada al estado anterior) están sincronizadas mediante una señal de reloj de frecuencia fija. La transición entre estados sólo se produce en un flanco de la señal de reloj. Los controladores síncronos y asíncronos descritos se pueden construir empleando lógica cableada y elementos discretos de electrónica, electricidad o neumática. Autómatas programables. U
La mayoría de los procesos existentes en la industria pertenecen al tipo de procesos discontinuos o procesos discretos y para su control pueden emplearse sistemas comerciales basados en microprocesador. Los más empleados son los autómatas programables. Un autómata programable es un equipo electrónico basado en un microprocesador o microcontrolador, que tiene generalmente una configuración modular, puede programarse en lenguaje no informático y está diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente industrial procesos que presentan una evolución secuencial. Un tipo de autómata programable industrial es el Controlador Lógico Programable (PLC, por sus siglas en inglés, Programmable Logic Controller). Ventajas del PLC. 1. Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a: 2. Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos. 3. Mínimo espacio de ocupación. 4. Menor costo de mano de obra en la instalación. 5. Economía de mantenimiento. Aumenta la confiabilidad del sistema, puesto que elimina los contactos móviles (relevadores). El mismo autómata puede detectar desperfectos. 6. Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo PLC. 7. Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso.
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Inconvenientes del PLC. 1. Hace falta un programador. Esto obliga a adiestrar a uno de los técnicos. 2. Costo inicial. Sistemas de adquisición de datos. Un sistema de adquisición de datos permite introducir datos del proceso a un sistema de cómputo. Las señales producidas por sensores son convertidas en forma digital y enviadas al computador para colectar, vigilar, mostrar y analizar los datos. Si el sistema de adquisición tiene capacidad de enviar señales de salida, el computador puede emplearse para controlar procesos. Los beneficios directos que ofrecen estos sistemas en manufactura, investigación, medicina, comunicaciones, milicia, gobierno y servicios son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Reducción de costos de operación. Por el empleo mas eficiente de la materia prima, la energía y la infraestructura. Incremento de la producción. Aumento del control de calidad. Ahorro en equipo y mano de obra. Aumento de la seguridad. Avance de la investigación. Mejora de procesos mediante el análisis detallado de datos y desarrollo de nuevas técnicas de producción. Control en tiempo real
Las funciones básicas que realiza un sistema computarizado son: Medición: Lectura de instrumentos asociados al proceso de manera continua o automatizada. Estimación: Tendencias, predicción, edición y corrección de datos, verificación de consistencia para eliminar errores gruesos, alarmas. Optimización: Empleo de modelos matemáticos, funciones objetivo y restricciones para optimizar procesos. Control: Asistencia a operadores, control directo, control distribuido. En todos los casos, los resultados pueden ser impresos o transmitidos a otras computadoras. Los sistemas de adquisición de datos instrumentados realizan las siguientes operaciones típicas: - adquisición de datos - evaluación de datos - reducción de datos - presentación de datos Tipos de instrumentación: 1. IEEE 488 o General Purpose Instrument Bus (GPIB). - estándar desde 1975 - protocolo paralelo de 8 bits, conjunto de comandos ASCII - distancia de conexión 2 m por equipo hasta 20 m máximo - control de hasta 14 instrumentos - velocidad de transferencia del orden de 1 Mbytes/s 2.
3.
Tarjetas insertables o plug-in data acquisition boards - combina bajo costo y desempeño moderado - instalación directa en computadores - transferencia de datos directa de y hacia la memoria del PC - resolución de 8 a 16 bits, velocidad de muestreo hasta 1 MHz Instrumentos controlados por comunicación serie
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- protocolo de comunicación serie para instrumentos simples - permite para distancias mayores que el IEEE 488: RS-232C - 50 ft (15 m) RS-422 - 1.2 km, permite un solo transmisor RS-485 - 4000 ft (1.2 km) - útil para controlar subsistemas de adquisición de datos - bajo desempeño, velocidad de transferencia max. 1 kbytes/s - la interfase RS-232 esta incluida en la mayoría de las PC 4.
Instrumentos en VXIBUS (BUS VME) - estándar de instrumentación en tarjeta desde 1987 - alto desempeño e instrumentación sofisticada - componentes modulares, empaquetado industrial robusto - combina los protocolos de VME con IEEE 488 - comunicación de alta velocidad con memoria compartida
Aplicaciones: Control de procesos Supervisión de procesos Registro de datos Control de calidad Automatización de laboratorio Control de máquinas
Equipos automatizados de prueba (ate) Prueba de producción Pruebas electrónicas Pruebas de vibración Pruebas acústicas Prueba de maquinaria
Calibración Investigación y des. Telecomunicaciones Simulación Química analítica Prueba de semiconductores
Algunos criterios de aplicación: 1. El valor anual del producto es suficientemente grande de manera que hasta una mejora porcentual menor es suficientemente valiosa para justificar el uso de un sistema. 2. El proceso es complejo, multivariable, con muchas especificaciones de producción y con restricciones de operación a respetar. 3. El proceso tiene un tiempo de vida esperado suficientemente grande (sin tendencia a la obsolescencia) de manera que los beneficios del sistema continúen por un tiempo apreciable. 4. El proceso esta sujeto a disturbios relativamente frecuentes alterando la eficiencia de operación. Además, se busca el ajuste de las variables de control para corregir estos cambios. 5. El proceso es tecnológicamente avanzado, esto es, debe ser bien claro y bien instrumentado de manera que las relaciones cuantitativas que constituyen el modelo puedan ser obtenidas y su desempeño pueda ser medido con exactitud. Algunos criterios de selección: 1. Menor constante de tiempo del proceso ⇒ frecuencia de muestreo 2. Número de variables y tipo ⇒ acondicionadores de señal 3. Longitud máxima de sensado ⇒ tipo de comunicación 4. Variación de medidas ⇒ memoria del sistema
Control avanzado. Los lazos de instrumentación y control avanzados son todos aquellos que se apartan de las técnicas tradicionales con lazos de control PID y se emplean generalmente para mejorar el desempeño del proceso cuando el control convencional o clásico presenta problemas. Algunas de las técnicas avanzadas de control son el control multivariable, el control estadístico de procesos (SPC), el empleo de sistemas expertos, el control o m edición por redes neuronales artificiales, el control por lógica difusa o borrosa, el empleo de algoritmos genéticos y otras técnicas emergentes.
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BIBLIOGRAFÍA Y OTROS RECURSOS DIDÁCTICOS. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
González González, Carlos; Zeleny Vázquez, José Ramón. METROLOGÍA., 1995. Holman, J.P. MÉTODOS EXPERIMENTALES PARA INGENIEROS. McGraw-Hill, 4ª. edición, México, 1988. Creus, Antonio. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL. Alfaomega S.A. 6ª. edición, México, 1999. Bentley, John P. SISTEMAS DE MEDICIÓN. Principios y aplicaciones. Compañía Editorial Continental, S.A. (C.E.C.S.A.) México, 1993. Doebelin, Ernest O. DISEÑO Y APLICACIÓN DE SISTEMAS DE MEDICIÓN. Ed. DIANA, 1980. Fraden, Jacob. AIP HANDBOOK OF MODERN SENSORS. PHYSICS, DESIGNS AND APPLICATIONS. American Institute of Physics, New York, USA, 1993. Jones, Larry D.; Chin, A. Foster. ELECTRONIC INSTRUMENTS AND MEASUREMENTS. Prentice Hall. Englewood Cliffs, N.J., E.U.A., 1990. Webster, J.G.; Tompkins, W.J.; INTERFACING SENSORS TO THE IBM PC. Englewood Cliffs, NJ, Prentice Hall. E.U.A., 1988. Johnson, Curtis D. PROCESS CONTROL INSTRUMENTATION TECHNOLOGY. University of Houston. John Wiley and Sons. E.U.A., 1982. Cooper, William D.; Helfrick, Albert D. INSTRUMENTACION ELECTRONICA MODERNA Y TECNICAS DE MEDICION. Prentice Hall Hispanoamericana. México, 1991. Mellichamp, Duncan A. REAL-TIME COMPUTING, with applications to data aqcuicition and control. Van Nostrand Reinhold, USA, 1983. Ogata, Katsuhiko. INGENIERÍA DE CONTROL MODERNA. Prentice Hall. E.U.A., 1980. Porras Criado, Alejandro; Montero Molina, Antonio Placido. AUTOMATAS PROGRAMABLES. McGraw-Hill, México, 1992. Ohba, Ryoji editor. INTELLIGENT SENSOR TECHNOLOGY. John Wiley and Sons, England, 1992.
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