Lectura 7. Valvulas de Control Servomotores e Instrumentos Inteligentes

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA 208007 – Instrumentación Industrial

Act 12: Lección evaluativa No.3 Lectura 7. Válvulas de control, c ontrol, servomotores e instrumentos inteligentes. Válvulas de Control Válvulas con obturador de movimiento lineal. Las válvulas de movimiento lineal en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje se clasifican en válvula de globo, válvula en ángulo, válvula de tres vías mezcladora o diversora, válvula de jaula, válvula de compuerta, válvula en Y, válvula de cuerpo partido, válvula Saunders y válvula de compresión. Válvula de globo : Llamadas así por disponer de un obturador en forma de globo, se caracteriza

porque el flujo de entrada o salida es perpendicular al eje del obturador. Son de simple asiento, de doble asiento y de obturador equilibrado. Las válvulas de simple asiento, que cierran en contra de la presión del proceso, precisan de un actuador de mayor tamaño. Por lo tanto, se emplean cuando la presión diferencial del fluido es baja y se precisa que las fugas a través de la válvula con el obturador en posición de cierre, sean mínimas. El cierre estanco se logra con asientos provistos de una arandela de teflón o de otros materiales blandos. En la válvula de doble asiento o de simple asiento con obturador equilibrado, la fuerza de desequilibrio desequilibrio desarrollada por el fluido a través del obturador es menor que en la válvula de simple asiento. Esto es debido a que en la válvula de doble asiento, el fluido actúa en sentidos contrarios sobre los obturadores, y en la válvula con obturador equilibrado lo hace por encima y por debajo del único obturador. Válvula en ángulo : La válvula en ángulo presenta un flujo de salida perpendicular al flujo de

entrada con un recorrido menos curvilíneo que en una válvula de globo, por lo que permite obtener un flujo de caudal regular sin excesivas turbulencias y es además adecuada para sustituir a una válvula de globo cuando el fluido circula con sólidos en suspensión o a excesiva velocidad provocada por una alta presión diferencial de trabajo. Válvula de tres vías : La válvula de tres vías se emplea generalmente para mezclar fluidos –válvulas mezcladoras – o bien para derivar de un flujo de entrada dos de salida –válvulas diversoras-. Las

válvulas de tres vías intervienen típicamente en el control de temperatura de intercambiadores de calor, facilitando un control muy rápido de la temperatura, gracias a que el fluido de calefacción (vapor o fluido térmico) puede derivar a través t ravés de la válvula, sin pasar por el intercambiador. Válvula de jaula : La válvula de jaula recibe esta denominación por la forma de jaula que tiene,

bien con los orificios dispuestos en una jaula fija en cuyo interior desliza el obturador, en cuyo caso se denomina válvula de jaula fija o bien con orificios en el obturador, en cuyo caso se denomina válvula de jaula móvil. Las válvulas de jaula fija pueden tener los orificios mecanizados de tal modo que la relación carrera-caudal obtenida al moverse el obturador, proporciona las características de caudal deseadas. Por otra parte, permiten un fácil desmontaje del obturador y


favorecen la estabilidad de funcionamiento al incorporar orificios que permiten eliminar prácticamente el desequilibrio de fuerzas producido por la presión diferencial del fluido. Por este motivo, este tipo de obturador equilibrado se emplea en válvulas de gran tamaño o bien cuando debe trabajarse con una alta presión diferencial. Como el obturador está contenido dentro de la jaula, la válvula es muy resistente a las vibraciones y al desgaste. Válvula de compuerta : Esta válvula, denominada también válvula de tajadera, efectúa su cierre en

un disco vertical plano, o de forma especial, y que se mueve verticalmente al flujo del fluido. Por su disposición es adecuada generalmente para control todo-nada, ya que en posiciones intermedias tiene a bloquearse. Tiene la ventaja de presentar muy poca resistencia al flujo de fluido cuando está en posición de apertura total, y por lo tanto se caracteriza por una baja caída de presión. o

Válvula en Y : La válvula en Y tiene el asiento y el obturador inclinados 45 respecto al flujo del

fluido. Si el cuerpo está instalado en horizontal, es difícil desmontar las partes internas inclinadas 45o con relación a la horizontal. Es adecuada como válvula de cierre y de control. Como válvula todo-nada se caracteriza por su baja pérdida de carga y como válvula de control presenta una gran capacidad caudal. Posee una característica de autodrenaje cuando está instalada inclinada con una cierto ángulo. Se emplea usualmente en instalaciones criogénicas. Válvula de cuerpo partido : Esta válvula es una modificación de la válvula de globo de simple

asiento teniendo el cuerpo partido en dos entre las cuales está presionado el asiento. Esta disposición permite una fácil sustitución del asiento y facilita un flujo suave del fluido sin espacios muertos en el cuerpo. Se emplea principalmente para fluidos viscosos y en la industria alimentaria. Válvula Saunders: En la válvula Saunders o de diafragma el obturador es una membrana flexible

que a través de un vástago unido a un servomotor, es forzada contra un resalte del cuerpo, que actúa de asiento, cerrando así el paso del fluido. La válvula se caracteriza porque el cuerpo puede revestirse fácilmente de goma o de plástico para trabajar con fluidos agresivos. Tiene la desventaja de que el servomotor de accionamiento debe ser muy potente. Se utiliza principalmente en procesos químicos difíciles, en particular en el manejo de fluidos negros o agresivos o bien en el control de fluidos conteniendo sólidos en suspensión. Válvula de compresión: La válvula de comprensión funciona mediante el pinzamiento de dos o más

elementos flexibles, por ejemplo un tubo de goma. Igual que las válvulas Saunders o de diafragma, se caracteriza porque proporciona un óptimo control en posición de cierre parcial y se aplica fundamentalmente en el manejo de fluidos negros corrosivos, viscosos o conteniendo partículas sólidas en suspensión.

Válvula con obturador de movimiento circular


Las válvulas en las que el obturador tiene un movimiento circular se clasifican en: válvula de obturador excéntrico rotativo (Camflex), válvula de obturador cilíndrico excéntrico, válvula de mariposa, válvula de bola, válvula de macho, válvula de orificio ajustable y válvula de flujo axial. Válvula de movimiento excéntrico rotativo (Camflex): La válvula de movimiento excéntrico rotativo

(Camflex) es una forma derivada de la válvula de bola segmentada. Consiste en un obturador de superficie segmentada esférica que se auto-alinea durante el movimiento de giro excéntrico, proporcionando un cierre estanco y unas bajas fuerzas dinámicas del fluido. Esto permite utilizar un servomotor de par reducido. Por otra parte, la tapa de extensión permite la operación para un margen amplio de temperaturas. La válvula puede tener un cierre estanco mediante aros de teflón dispuestos en el asiento y se caracteriza por su gran capacidad de caudal, comparable a las válvulas de mariposa y a las de bola. Válvula de obturador cilíndrico excéntrico : Esta válvula tiene un obturador cilíndrico excéntrico

que asienta contra un cuerpo cilíndrico. El cierre hermético se consigue con un revestimiento de goma o de teflón en la cara del cuerpo donde asienta el obturador. La válvula es de bajo coste y es adecuada para fluidos corrosivos o conteniendo sólidos en suspensión. Válvula de mariposa: En la válvula de mariposa el cuerpo está formado por un anillo cilíndrico

dentro del cual gira transversalmente un disco circular. La válvula puede cerrar herméticamente mediante un anillo de goma encastrado en el cuerpo. Un servomotor exterior acciona el eje de giro del disco y ejerce su par máximo cuando la válvula está casi cerrada (en control todo-nada se consideran 90o y en control continuo 60o, a partir de la posición de cierre, ya que la última parte del giro es bastante inestable), siempre que la presión diferencial permanezca constante. En la selección de la válvula es importante considerar las presiones diferenciales correspondientes a las posiciones de completa apertura y de cierre; se necesita una fuerza grande del actuador para accionar la válvula en caso de una caída de presión elevada. Las válvulas de mariposa se emplean para el control de grandes caudales de fluidos de a baja presión. Válvula de bola: En estas válvulas, el cuerpo tiene una cavidad interna esférica que alberga un

obturador en forma de esfera o de bola (de ahí su nombre). La bola tiene un corte adecuado (usualmente en V) que fija la curva característica de la válvula, y gira transversalmente accionada por un servomotor exterior. El cierre estanco se logra con un aro de teflón incorporado al cuerpo contra el cual asienta la bola cuando la válvula está cerrada. En posición de apertura total, la válvula equivale aproximadamente en tamaño al 75% del tamaño de la tubería. La válvula de bola se emplea principalmente en el control de caudal de fluidos negros, o bien en fluidos con gran porcentaje de sólidos en suspensión. El tipo más común de las válvulas de bola es la válvula de bola segmentada, llamada así por la forma de segmento esférico del obturador. Válvula de macho: Es una válvula de bola típica que consiste en un macho u obturador de forma

cilíndrica o troncocónica con un orificio transversal igual al diámetro interior de la tubería. El macho ajusta en el cuerpo de la válvula y tiene un movimiento de giro de 90o. Se utiliza generalmente en el control manual todo-nada de líquidos o gases y en regulación de caudal.


Válvula de orificio ajustable : En la válvula de orificio ajustable el obturador consiste en una camisa

de forma cilíndrica que está perforada con dos orificios, uno de entrada y otro de salida y que gira mediante una palanca exterior accionada manualmente o por medio de un servomotor. El giro del obturador tapa parcial o totalmente las entradas y salidas de la válvula controlando así el caudal. La válvula incorpora además una tajadera cilíndrica que puede deslizar dentro de la camisa gracias a un macho roscado de accionamiento exterior. La tajadera puede así fijarse manualmente en una posición determinada para limitar el caudal máximo. La válvula es adecuada en los casos en que es necesario ajustar manualmente el caudal máximo del fluido, cuando el caudal puede variar entre límites amplios de forma intermitente o continua y cuando no se requiere un cierre estanco. Se utiliza para combustibles gaseosos o líquidos, vapor, aire comprimido y líquidos en general. Válvula de flujo axial: Las válvulas de flujo axial consisten en un diafragma accionado

neumáticamente que mueve un pistón, el cual a su vez comprime un fluido hidráulico contra un obturador formado por un material elastómero. De este modo, el obturador se expansiona para cerrar el flujo anular del fluido. Este tipo de válvulas se emplea para gases y es especialmente silencioso. Otra variedad de la válvula de flujo axial es la válvula de manguito, que es accionada por comprensión exterior de manguito a través de un fluido auxiliar a una presión superior a la del propio fluido. Se utiliza también en gases. Servomotores Servomotor neumático : En servomotor neumático consiste e una diafragma con resorte que

trabaja (con algunas excepciones) entre 3 y 15 psi ( 0 ,2 y 1 bar ). Al aplicar una cierta presión sobre el diafragma, el resorte se comprime de tal modo que el mecanismo empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que se llega a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el resorte. El servomotor puede ser de acción directa o inversa. Será de acción directa cuando la presión de gobierno actúa en la cámara superior del servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia abajo. El descenso del vástago será mayor cuanto mayor sea la presión de gobierno. El resorte tiene un punto de apoyo fijo en su extremo inferior. Será de acción inversa cuando la presión de gobierno actúa en la cámara inferior del servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia arriba. El ascenso del vástago será tanto mayor cuanto mayor sea la presión de gobierno. El resorte tiene su punto de apoyo fijo en su extremo superior. Al acoplar el servomotor a la válvula, los términos aplicables desde el punto de vista de seguridad son: en fallo de aire (o sin aire) la válvula cierra, o en fallo de aire (o sin aire) la válvula abre. Idealmente, con una señal de 3 psi (0,2 bar) la válvula debe estar en la posición 0% de su carrera y para una señal de 15 psi (1 bar ) en la posición 100%. Asimismo, debe existir una proporcionalidad entre las señales intermedias y sus correspondientes posiciones. En la práctica las válvulas de control se desvían de este comportamiento debido a las causas siguientes: 

Rozamiento en la estopada.


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Histéresis y falta de linealidad del resorte, que son poco importantes desde el punto de vista de este estudio práctico. Área efectiva del obturador que varía con la carrera del vástago de la válvula. Esfuerzo en el obturador de la válvula creado por la presión diferencial del fluido. Fuerza adicional del servomotor necesaria para conseguir un cierre efectivo entre el obturador y el asiente (fuerza de asentamiento)

Servomotor eléctrico: La válvula motorizada eléctrica dispone de los mismos elementos que la

válvula neumática descrita anteriormente pero con el servomotor eléctrico en lugar del neumático. Su ventaja es que no necesita aire para su accionamiento, pero se caracteriza fundamentalmente por su par y por el tiempo requerido (usualmente 1 minuto en las válvulas estándar) para efectuar una carrera completa. De este modo, ante presiones diferenciales elevadas del fluido, el servomotor eléctrico debe tener un tamaño considerable y con el tiempo normal de accionamiento de un minuto, la actuación de la válvula resulta ser más lenta que la de una neumática. Estas características hacen que sólo se empleen en equipos autónomos que carezcan de compresor de aire, o en instalaciones que dispongan de poco par, tal como en aplicaciones de aire acondicionado. Normalmente no se utilizan en procesos industriales, donde la rapidez y precisión de actuación es importante. El servomotor eléctrico es un motor eléctrico que está acoplado al vástago de la válvula a través de un tres de engranajes. Existen básicamente tres tipos de circuitos eléctricos de control capaces de actuar sobre el motor: todo-nada, flotante y proporcional con elementos mecánicos de actuación (finales de carrera o reóstatos) o digitales Servomotor hidráulico: Los servomotores hidráulicos consisten en una bomba de accionamiento

eléctrico que suministra fluido hidráulico a una servoválvula. La señal del instrumento de control actúa sobre la servoválvula que dirige el fluido hidráulico a los dos lados de un pistón actuador hasta conseguir, mediante una retroalimentación, la posición exacta de la válvula. Otro modelo de pistón es parecido al servomotor de diafragma, por un lado es alimentado por el fluido hidráulico y por el otro tiene un resorte. Los servomotores hidráulicos se caracterizan por ser extremadamente rápidos, potentes y suaves, si bien su coste es elevado, por lo que sólo se emplean cuando los servomotores neumáticos no pueden cumplir con las especificaciones de servicio. Servomotor digital: Los servomotores de válvulas digitales son controladores digitales que

disponen de compuertas neumáticas accionadas por electroválvulas que, a su vez, son excitadas por la señal de salida binaria de un microprocesador. Su respuesta es muy rápida (una compuerta 500 ms), y el grado de abertura depende de la combinación de las compuerta (8 compuertas darán 1, 2, 4, etc. 128 relaciones de capacidad). Aunque estas válvulas están limitadas a fluidos limpios y no corrosivos, presentan interés para el mando digital directo, si bien su velocidad de apertura instantánea no representa una ventaja esencial frente a las válvulas neumáticas industriales (5 a 20 segundos según el tamaño), y su costo es elevado. Tipos de acciones en las válvulas de control: Las cuerpos de las válvulas de control pueden tener

dos tipos de acciones. Se dividen en válvulas de acción directa, cuando tiene que bajar para cerrar, e inversa cuando tienen que bajar para abrir (derivado de los grifos domésticos donde al girar el volante a derechas, el vástago baja y la válvula cierra). Esta misma división se aplica a los servomotores, que son de acción directa cuando aplicando aire, el vástago se mueve hace abajo, e inversa cuando al aplicar aire al vástago se mueve hace arriba. Al combinar estas acciones se


considera siempre la posición de la válvula sin aire sobre su diafragma, con el resorte manteniendo el diafragma y por tanto la válvula en una de sus posiciones extremas. Cuando la válvula se cierra al aplicar aire sobre el diafragma o se abre cuando se quita el aire debido a la acción del resorte, se dice que la válvula sin aire abre o aire para cerrar (acción directa). Al abrir la válvula cuando se aplica aire sobre el diafragma y se cierra por la acción del resorte cuando se quita el aire, se dice que la válvula si aire cierra o aire parar abrir (acción inversa). Consideraciones análogas se aplican a las válvulas con servomotor eléctrico: Acción directa: con el servomotor desexcitado la válvula está abierta; Acción inversa: con el servomotor desexcitado de la válvula está cerrada. Al seleccionar la válvula es importante considerar estos factores desde el punto de vista de seguridad. Ninguna instalación está exenta de averías y una de ellas puede ser un fallo de aire o de corriente de alimentación, con lo cual la válvula pasa naturalmente a una de sus posiciones extremas y ésta debe ser la más segura del proceso. En las válvulas de acción inversa en las que el resorte del servomotor neumático o eléctrico asienta el obturador en el asiente, cerrando así la válvula, es importante consultar las tablas del fabricante para comprobar la presión diferencial máxima con que la válvula podrá cerrar. Por ejemplo, en el caso de un intercambiador de calor en el que una alta temperatura sea perjudicial para el producto, interesará que la válvula de control cierre sin aire (válvula neumática) o bien cierra con el servomotor des-excitado (válvula eléctrica). Otros Elementos Finales de Control. En los procesos industriales altamente sofisticados, tales como hornos, tratamientos térmicos, máquinas de extrusión, máquinas de hilar fibra sintética, etc., la regulación precisa de la variable controlada (suele ser la temperatura) obliga a controlar la potencia entregada a las resistencias finales de calefacción. Los primeros elementos que salieron al mercado y que permitieron el control continuo de la potencia (sin considerar el control todo-nada) fueron el tiratrón y el ignitrón que eran respectivamente un tubo de vacío lleno de gas y un tubo con mecurio; sus dimensiones eran demasiado grandes y su costo excesivo para las potencias que se necesitaban. Apareció después el amplificador magnético o bobina saturable de bajo costo relativo, que ha sido realmente un equipo robusto que aportó la primera solución práctica de aplicación industrial. El rectificador controlado de silicio representó una revolución en el control de potencia por sus dimensiones reducidas y por trabajar con una alta densidad de corriente. Estos elementos se comportan en forma parecida a una válvula de control: varían la corriente en la línea de alimentación a la carga en la misma forma en que una válvula cambia el caudal de fluido en una tubería. Rectificadores Controlados de Silicio : Los rectificadores controlados de silicio o tiristores o SCR

(Silicon Controlled Rectifier) emplean rectificadores de silicio que bloquean el paso de la corriente en sentido inverso, igual que los convencionales, pero además la bloquean en sentido directo hasta tanto no se aplica una pequeña señal en el cable de control o puerta. Una vez el rectificador


pasa al estado de conducción, la señal puede desconectarse y aquél continuará en el mismo estado hasta tanto la corriente no cambie de sentido. No hay nuevo paso de corriente si la excitación no enciende nuevamente el rectificador. Para aprovechar el semiciclo negativo se suele utilizar otro elemento SCR en oposición o bien su equivalente, una unidad TRIAC. Para el control de este tipo de dispositivos, es común usar un circuito de encendido por cruce de cero. En el circuito de encendido por cruce de cero (zero crossover) la corriente alterna es entregada a la carga en forma de paquetes de ondas discontinuas. Este tren de ondas se genera mediante una excitación continua o bien por medio de impulsos sincronizados que actúan antes de que la tensión de línea cruce el valor cero, en lugar de un impulso sincronizado en fase como ocurría en el sistema de ángulo de fase. La señal de excitación mantiene el tiristor o el triac encendidos y al anular aquélla, éstos dejan de conducir. El sistema se emplea típicamente en control proporcional en tiempo: se emiten una señal continua o una serie de impulsos sincronizados, antes de que la tensión de línea cruce el valor cero, en número proporcional a la señal de control de 4-20mA c.c. Las unidades SCR requieren un sistema de protección para limitar la corriente de carga, en particular en el calentamiento de hornos donde el valor de las resistencias de calefacción varía del estado frío al estado caliente o de régimen. Esta limitación puede ser automática o manual, recomendándose la primera en hornos con elementos de calefacción de molibdeno o de platino. Si las características de la carga varían y la corriente de carga llega a exceder el valor de seguridad el limitador envía una señal al circuito de control del SCR a fin de mantener la corriente de salida a la carga en un valor soportable para los rectificadores de silicio. Esta disminución de corriente cambia a medida que los elementos se van calentando gradualmente y van disminuyendo su resistencia eléctrica. El proceso continúa hasta el funcionamiento normal, en el cual el limitador de corriente no tiene prácticamente influencia. Bombas dosificadoras : Las bombas dosificadoras son accionadas por actuadores neumáticos o

electrónicos y utilizadas principalmente en el envío de cantidades precisas líquidos para mezclas, en casos tales como el control de pH, tratamiento de aguas, adición de productos en la industria alimenticia, etc, aplicaciones que se caracterizan por bajos caudales, altas presiones, altas viscosidades, etc. Actuadores de velocidad variable : Los actuadores de velocidad variable gobiernan la velocidad de

bombas centrífugas, ventiladores, compresores, etc., variando así el caudal de fluido. Presentan la ventaja de evitar la pérdida de energía que necesariamente absorben las válvulas de control. Sin embargo, estos actuadores son generadores de frecuencia o de tensión variable, que gastan energía en forma de calor, la que equivale prácticamente a la gastada por la bomba centrífuga en la creación de presión suficiente para la absorción de pérdida de carga en la válvula. Hay casos en los que el empleo de una bomba de velocidad variable es adecuado, tal como en el control de fluidos corrosivos que obligarían a usar aleaciones especiales en la válvula de control. Otros dispositivos finales de control son los contactores, compresores, motores eléctricos, compuertas y autotransformadores ajustables motorizados.


Tendencias tecnológicas en la Instrumentación Industrial Si bien es difícil predecir el futuro se vislumbra en el horizonte del control que las tendencias se orientarán hacia: Siendo difícil que se adopte un único protocolo estándar de comunicaciones a nivel mundial, lo más probable es que lo actuales queden reducidos a dos o tres, entre ellos Foundation Fieldbus y Profibus. El mercado exige protocolos abiertos e interoperatibilidad entre instrumentos. Están apareciendo comunicaciones digitales sin hilos basadas en telefonía móvil y en el PC. Entre ellas figura el estándar IEEE 802.11b (Wi-fi) de alcance hasta 100 metros y el protocolo Bluetooth de corto alcance (10 a 100 metros) que usa radiofrecuencia del orden de 2,4 GHz. Ambos constituyen un entorno de información digital entre sensores y sistemas de señal. Gracias a la distribución de inteligencia que permiten los sistemas de comunicaciones, el usuario tiene la libertad para ubicar el control en los sensores y en los actuadores. La visualización de las alarma aparece en la pantalla o en la impresora en forma de páginas de listado. Por otro lado los bloques de alarmas típicos de los paneles gráficos, y semigráficos que proporcionaban un pequeño número de datos críticos del proceso se transforman, incorporando un microprocesador y un monitor, con una disposición reticular de las alarmas que pueden comunicarse de modo inteligente con el sistema y que posibilitan la conexión con unidades remotas de 64 puntos o más cada una y con la configuración que se desee en lugar de la sala de control, permitiendo así una mayor seguridad y flexibilidad del sistema. Integración de los sistemas digitales, o sea integración de los protocolos de información que facilite el acceso directo a la información que precisen de la planta, a los diferentes estamentos y personal de la empresa (planta, logística, dirección, producción, mantenimiento, etc.) que permita la calibración desde la sala de control, diagnósticos de fallos de los instrumentos, etc. con el objeto de mejorar la seguridad y aumentar el rendimiento de la planta. Es importante que la información esté unificada y sea utilizable para el uso de la gerencia ya que ésta precisa acceder en tiempo real (o casi) a la información de interés con objeto de tomar mejores decisiones de negocios. Se vislumbra una mayor penetración de las soluciones de control basadas en PC por su compatibilidad, gran capacidad de procesamiento y bajo precio. Mejora de la interfase hombre-máquina para lograr en lo posible una planta segura libre de errores humanos. Los comunicadores portátiles permiten la consulta o cambio o configuración de las características de los instrumentos en cualquier punto del proceso conectado al transmisor o en el panel o en cualquier punto de la línea e incluso sin contacto con infrarrojos. Un ejemplo de esta tendencia es el diseño de una única ventana de inspección dedicada a aplicaciones críticas de procesos que sea independiente de otras informaciones que puedan superponerse y que distraigan o confundan al operador. Otro ejemplo lo constituye la reducción de las alarmas a las estrictamente indispensables para que el operador pueda atenderlas debidamente. Todo ello requiere un buen uso de las herramientas gráficas disponibles en el control de procesos, por ejemplo, la arquitectura OPC (OLE for Process Control) de interfase entre un controlador de bus de campo y las aplicaciones en un PC.


Mejora del mantenimiento estableciendo un mantenimiento preventivo que permita detectar la posibilidad de fallos antes que se produzcan. Este tipo de mantenimiento está bastante desarrollado en las válvulas de control y en los transmisores inteligentes. Cabe señalar que la válvula neumática continúa liderando el mercado. Búsqueda de nuevos sensores que sean capaces de detectar cambios en variables en las cuales hasta el momento sólo es posible hacerlo inferencialmente, por ejemplo, la medición de temperatura en los secaderos como forma indirecta de controlar humedad. Un nuevo sensor aplicado a materiales en grano (trigo, avena, soja) mide sus propiedades dieléctricas a la frecuencia de 9,46 gigahercios y a la temperatura de 24ºC, utiliza una función de calibración independiente del material y de su densidad y de la humedad en tiempo real con una precisión del 0,46% en base seca. Esta función será la base para el desarrollo de un algoritmo de calibración universal para productos de grano. Los biosensores aplicables inicialmente a la industria alimenticia, proporcionan información sobre un proceso de la vida y consisten en pequeñas partículas luminiscentes (nanopartículas) que enclavan sus anticuerpos con el antígeno de las toxinas alimenticias extrañas (E. coli y salmonella) formando así grupos luminiscentes en el seno del producto. La señal del nanosensor es rápidamente detectada y constituye una primera línea de defensa contra alimentos o agua contaminada. Otra variedad de sensores químicos fluorescentes contiene una fuente luminosa que excita el elemento sensor, este que produce la fluorescencia y el fotodetector que capta la fluorescencia del sensor. El sistema puede detectar oxígeno, gases inorgánicos, compuestos orgánicos volátiles, componentes bioquímicos y organismos biológicos. Aumento de la calidad y la precisión de los instrumentos. Actualmente ya se llega en los transmisores a una estabilidad de 0,001% por año de vida y con un tiempo medio entre fallos del orden de los 470 años. Según el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts, MIT, del inglés Massachusetts Institute of Technology) una de las diez tendencias tecnológicas es las redes de sensores sin cables (otras que aparecen de nuestro interés: nano células solares, mecatrónica, imágenes moleculares, software fiable, entre otras). Viene la creación de de redes compuestas de miles o millones de sensores. Las redes observarán casi todo, incluyendo el tráfico, el tiempo, actividad sísmica, estado de edificios y puentes, a una escala más precisa que antes. Este artículo fue tomado del apéndice de la referencia: CREUS, Intrumentación Industrial. Edición 7.

Instrumentos Inteligentes La Inteligencia es una característica humana que se atribuye habitualmente a maquinas y dispositivos que muestran ciertas capacidades de reaccionar ante ciertos eventos. Si se observa el estado actual de los sensores inteligentes, se ha pasado de la incredulidad y recelo a la aceptación en apenas dos décadas. La evolución tecnológica, y la incorporación de tecnologías como los microcontroladores, redes neuronales, sofisticadas funciones de procesado de señal y funciones


de comunicación han favorecido el progreso enormemente. Cada día la diferencia entre sensores inteligentes e instrumentos inteligentes se vuelve más difusa. Una definición de un sensor inteligente, es aquel que modifica su comportamiento interno para optimizar los datos del mundo físico y los envía hacia un host. Hay muchas formas distintas de hacer instrumentos de campo inteligentes. Algunas razones generales para dotar de inteligencia a los instrumentos de campo son: Mejora en la precisión de medida: Linealización de la relación de entrada salida, calibración

automática del cero, compensación automática de errores causados por interferencias ambientales, por ejemplo la temperatura ambiente; compensación automática de errores causados por variaciones en las condiciones del proceso tal como la temperatura o presión de un fluido en la medida de un flujo. Mejoras en la capacidad operacional y posibilidades de mantenimiento: Operaciones de

mantenimiento utilizando funciones de comunicación digital, Integración de sensores de distintos rangos permitiendo reprogramar el rango, almacenar y leer los datos del sensor y los datos de control de proceso; funciones de auto-chequeo y autoaprendizaje, detección de Fallos y alarmas. Mejoras en las funciones de comunicación y reducción de fallos en el sistema: Monitorizado de los

datos importantes, comunicación con sistemas de jerarquías superiores, y con sistemas vecinos, funciones de detección y predicción de fallos. Hoy en día la tendencia en sensores/instrumentos inteligentes es hacia la integración del elemento sensor, los circuitos electrónicos y funciones de tratamiento de la señal para el procesado de la misma y de la circuitería necesaria para la comunicación hacía un bus de los datos medidos y del estado del sensor/instrumento. Hay dos métodos originales de compensación de defectos del sensor: Calibración y Predicción. Método de Calibración: Desde el punto de vista de la precisión alcanzable esencialmente, este

método se puede considerar el más efectivo. La auto-calibración significa que el sensor puede monitorizar la condición de medida mediante un test para decidir si una nueva calibración es necesaria o no. Método de Predicción: En el método de calibración se necesita desconectar el elemento de medida

durante la calibración. Esto es un grave problema en aquellos casos en los que no se puede parar el proceso. En estos casos el método de predicción se puede usar para predecir las derivas del sensor. Estas derivas son cambios en la señal de salida del sensor durante su funcionamiento. Los algoritmos de predicción incluyen: Una prueba del mismo tipo de sensores en las condiciones de explotación, donde se puede obtener el modelo matemático de las variaciones del sensor; medida de la influencia de los factores reales en condiciones de funcionamiento y ajuste del modelo y finalmente, cálculo de la predicción de la deriva en función de las derivas del modelo y aplicar la compensación.


Las funciones inteligentes básicas encaminadas a dar soporte a las características metrológicas (precisión) en los instrumentos de medida son: Elección automática de los modos de operación, elección de los algoritmos de funcionamiento, corrección de errores, adaptación a las condiciones de funcionamiento, además otras funciones inteligentes que incorporan son: predicción de las derivas, corrección de errores aditivos utilizando algoritmos de corrección adaptativos y autoaprendizaje. Un sistema de medida automático se puede definir como “inteligente” si tiene capacidades para

detección y aislamiento de fallos (IFDI). El objetivo de IFDI es desarrollar esquemas y técnicas para la detección y aislamiento de fallos que se podrían dar en sensores o instrumentos usados en sistemas automáticos de control o medida. Los fallos en los instrumentos podrían dar lugar a fallos de operación lo cual puede provocar fallos de seguridad, sobretodo en instalaciones críticas. Una parte importante de los instrumentos inteligentes es la capacidad de comunicación. Hoy en día los llamados instrumentos inteligentes incorporan capacidad de comunicación bajo protocolos estandarizados que sirven para enlazar los sensores distribuidos de una forma coherente. Dependiendo de los distintos buses de comunicación y de los protocolos usados las capacidades de los instrumentos varían enormemente. En algunos casos, como en Foundation Fieldbus, además de dotarse de capacidad de comunicación al instrumento son los propios instrumentos de campo los que pueden realizar la propia tarea de control incluyendo los lazos de regulación y control, todo ello distribuido sobre el propio campo, formado así un verdadero sistema de control multi-agente con inteligencia distribuida. La tendencia en sistemas modernos de medida y control es tener conectividad a un ordenador en red de área local. Estos sistemas tienen una estructura de red jerárquica con capacidades de computación distribuida y pueden proporcionar grandes mejoras en funcionamiento y efectividad en instrumentación mediante la optima distribución de sus recursos. Los módulos de bajo nivel de estos sistemas usualmente tienen capacidades de cálculo y procesado de datos. En estos sistemas los componentes de alto nivel pueden tener acceso directo y control remoto a estos módulos. A través de una red, estos módulos se pueden acceder vía Internet. Estos componentes y módulos forman la base de un sistema de medida y control distribuido.

Referencias bibliográficas

Instrumentación Industrial, Antonio Creus Sole, Marcombo Manual de mantenimiento industrial. Robert C. Rosaler. James O. Rice. Tomo III Editorial McGraw-Hill Instrumentación para medición y control. W. G. Holzbock.Publicaciones C.E.C. s.

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