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Resumen hacerca del laboratorio de Instrumentación
Tipo: Apuntes
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Prof. Juan Calderón
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selección, y aplicación de instrumentos en el área industrial. Además de ciertos conceptos básicos de mediciones y control, también se estudiarán diferentes principios de medición, sensores e instalación de instrumentos.
Una medida es un número (real, complejo, vector, etc.) que expresa la relación entre una cantidad y la unidad utilizada para medirla. El valor exacto de una medida no es posible precisarlo rigurosamente (consecuencia del principio de incertidumbre de Heisenberg), por lo que toda medida debe ir acompañada de un valor que indique la incertidumbre o error con la que fue determinada.
Si por ejemplo un termómetro marca 25 ºC, y sabemos que dicho instrumento permite medir la temperatura con una aproximación de 1ºC, entonces debemos expresar la medida como 25ºC ± 1ºC.
Es la determinación de una medida. Una medición puede ser realizada, por comparación (directa o indirecta), con cantidades cuyas unidades son las unidades básicas o estándares del sistema de unidades utilizado. Para la realización de una medición se utiliza un instrumento como medio físico para determinar la magnitud de una cantidad o variable.
Usualmente la variable medida es determinada indirectamente, mediante el efecto que produce en una variable secundaria conocida con el nombre de variable medible. Así por ejemplo, mediante la medición de la elongación de un resorte (variable medible) se determina la magnitud del peso que pende de uno de los extremos.
Es uno o más dispositivos de medición conectados de forma tal de poder realizar una medición completa. Un dispositivo de medición consta de uno o más elementos básicos, además de otros componentes, para conformar una unidad encargada de ejecutar una o más operaciones de medición.
Es aquel sistema en el cual el efecto deseado es logrado operando sobre una o más variables de entrada, hasta que la salida, la cual es una medida del efecto deseado, cae dentro de un rango de valores aceptables. Los instrumentos de medición son parte integral de un sistema de control, por lo que al conjunto se le suele llamar sistema de medición y control.
Normalmente un sistema de control opera formando un lazo o bucle en el que se mide el valor de una variable, se compara con un punto de consigna o valor deseado ( set point , SP) y se toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación o error existente. A este esquema de control se le llama sistema de control por realimentación, o simplemente control a lazo cerrado.
El lazo de control puede ser abierto o cerrado. En un esquema de control de lazo abierto, no hay comparación entre el punto de consigna y la variable a controlar, o por lo menos no se realiza continuamente. En el esquema de control a lazo cerrado (ver Fig. 1.1), la diferencia entre el punto de consigna y la variable medida, genera un error el cual alimenta a un controlador que se encarga de minimizar el mismo manipulando la variable de control.
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Figura 1.1. Control a lazo cerrado.
Como marco para el estudio de los diferentes instrumentos que forman parte de un sistema de control, se utilizará como referencia el lazo cerrado de control, sin embargo los instrumentos a estudiar pueden ser utilizados en cualquier otro esquema de control.
El estado actual de la tecnología es utilizar controladores digitales los cuales están en capacidad de ejecutar cientos de lazos de control. La mayoría de estos controladores tienen la capacidad de ser programados por los usuarios, e incorporan bloques de control y de cálculo previamente contruidos por el fabricante del controlador, los cuales pueden ser configurados por el usuario para implantar una gran variedad de estrategias de control. Existen también los denominados instrumentos “inteligentes”, los cuales están en capacidad de ejecutar algoritmos básicos de control, tales como bloques PID entre otros. Estos instrumentos se comunican unos con otros a través de los “Buses de campo”, eliminando la necesidad de utilizar controladores independientes.
Se consideran dos clasificaciones básicas:
SENSOR
CONTROLADOR TRANSMISOR
ELEMENTO DE ACCION FINAL
INDICADOR O Set Point (SP)REGISTRADOR
Variable de control (CV) Variable de proceso (PV)
Salida
Error
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Según la Sociedad de Instrumentación Sistemas y Automatización de Norteamérica (ISA); un transductor es un dispositivo que recibe energía de un sistema, y suministra energía, ya sea del mismo tipo o de un tipo diferente a otro sistema, de tal manera que ciertas características deseadas de la energía de entrada aparecen en la salida. Son transductores: un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor I/P (intensidad de corriente a presión), etc.
El término transductor es muy amplio, ya que muchos instrumentos pueden ser clasificados como transductores, por esta razón tal expresión sólo debe ser empleada cuando un instrumento no caiga específicamente en alguna de las categorías que se definen a continuación. Generalmente los transductores transforman la señal recibida en una señal eléctrica o neumática, mucho más fácil de medir y transmitir.
Los transductores pueden clasificarse en:
- Pasivos: Son aquellos que necesitan una fuente de energía (alimentación), diferente de la señal de entrada. Ejemplo de transductores pasivos son: fotoresistencia y RTD. - Activos: Son aquellos que generan una salida, aún sin una fuente de alimentación diferente de la propia señal de entrada. Ejemplo de transductores activos son: termopares y fotocélulas. - Digitales: Son aquellos que generan salidas discretas en el tiempo (típicamente señales digitales binarias). Ejemplo de transductores digitales son: contador de eventos (turbina para medir caudal), disco codificador para medir nivel.
Un elemento primario es aquel que responde cuantitativamente a una medida, por ejemplo, un resorte responde a una fuerza según su elongación.
Un buen sensor debe perturbar lo menos posible la variable medida, de modo de no introducir errores en la medición. Así, un amperímetro debe poseer una baja impedancia de entrada, con el objeto de no producir una caída de voltaje que pueda modificar significativamente la corriente que circula por un circuito. Ejemplos de sensores son: termopares, RTD, fotoresistencias, resortes, flotador, etc.
Los elementos primarios de medición, los cuales son también transductores, pueden ser clasificados como:
- Intrusivos: Son aquellos que necesitan estar en contacto físico directo con el cuerpo o material sobre el cual se desea realizar alguna medición. Por ejemplo, un tubo Bourdon para medir presión, un
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termopar para medir la temperatura de un fluido que circula por una tubería; en ambos casos el sensor está en contacto directo con la variable a medir.
- Invasivos: Son aquellos que no sólo necesitan estar en contacto físico directo con el cuerpo o material sobre cual se desea realizar alguna medición, si no que además pueden modificar significativamente (si son mal dimensionados) la dinámica del proceso. Los sensores invasivos, son también intrusivos. Ejemplos de sensores invasivos son: una placa orificio para medir caudal, un flotador para medir nivel, un termopar para medir la temperatura dentro de una tubería. - No intrusivos: Son aquellos que no necesitan estar en contacto directo con el cuerpo o material sobre el cual se desea realizar alguna medición. Ejemplos de este tipo de sensores son: medidores de nivel por ultrasonido o por radar, pirómetros de radiación para medir temperatura.
Es el nombre genérico que se les da a los instrumentos que reciben las señales provenientes de los transmisores. Desde este punto de vista, los registradores, controladores, e indicadores pueden ser instrumentos receptores, si los mismos están acoplados a un transmisor.
Son instrumentos que captan la variable medida a través de un sensor, y la convierten en una señal estándar para su transmisión, la cual es sólo función de la variable medida.
En procesos relativamente complejos o peligrosos, se deben llevar las variables medidas hasta una sala de control, donde usualmente se encuentran los instrumentos controladores e instrumentos indicadores mediante los cuales un operador puede, de un vistazo, verificar el estado operativo del proceso, y realizar los ajustes necesarios. Normalmente la señales de salida de los sensores no tienen la suficiente potencia como para poder ser transmitidas a distancia (más de 50 m). En estos casos se deben utilizar transmisores que permitan enviar la señal desde el campo (proceso) hasta la sala de control.
Actualmente existen dos estándares para la transmisión en forma analógica de variables de proceso, los cuales son: 3 a 15 psi para señales neumáticas, y 4 a 20 mA para señales analógicas eléctricas. Existen, además, algunos estándares para transmisión digital de variables de proceso, los dos mas conocidos y utilizados hasta la fecha son “Fieldbus Foundation” (ISA S50), y “Profibus”. La introducción de los denominados buses de campo, permite la implantación de redes de instrumentos con capacidad de control, permitiendo la disminución de los costos de conexión entre los instrumentos y el resto de los sistemas de automatización y control, al dsiminuir la cantidad de cables necesarios para lograr dicha conexión. En la Tabla 2.1 se indican los diferentes tipos de transmisores. En el siguiente capítulo se muestra en mayor detalle los elementos transmisores.
Tabla 2.1. Clasificación de los transmisores. TIPO DE TRANSMISOR SEÑAL DE SALIDA NEUMÁTICOS 3 a 15 psig
Analógicos
4 a 20 mA (estándar) 10 a 50 mA, 0 a 20 mA, 1 a 5 V, 0 a 10 V, -5 a 5 V. Inteligentes (analógicos, digitales e híbridos)
4 a 20 mA (estándar) HART
TM (híbrido) “FIELDBUS FOUNDATION” (digital estándar)
HART
TM es una marca registrada de Rosemount.
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pero el sistema de control es electrónico; algunas válvulas de control también utilizan señales neumáticas en lugar de señales eléctricas.
Son dispositivos que regulan la variable controlada (presión, nivel, temperatura, etc.) comparándola con un valor predeterminado o punto de consigna y ajustando la salida de acuerdo a la diferencia o resultado de la comparación a fin de ejercer una acción correctiva de acuerdo con la desviación.
La variable controlada la pueden recibir directamente como controladores locales, o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor. En el siguiente capítulo se muestra en mayor detalle los controladores.
Los constroladores no solamente se utilizan para esquemas de control regulatorio. También se utilizan para realizar estrategias de control secuencial. Cuando se utilizan para este último, reciben el nombre de controladores de lógica programable (PLC de las siglas en inglés).
Los elementos de acción final son los instrumentos encargados de cambiar el valor de la variable de control ( control value , CV) o variable manipulada para ejercer el control sobre la variable de proceso. Es decir, el elemento de acción final recibe la señal del controlador y actúa sobre el proceso. Ejemplos de elementos de acción final son válvulas para control de flujo, tiristores para control de corriente eléctrica, motores de paso para control de posición.
Dentro de los elementos finales de control se tienen las válvulas de control, los elementos finales electrónicos (amplificador magnético saturable, rectificadores controlados de silicio, válvula inteligente), bombas dosificadoras, actuadores de velocidad variable y relés. En el capítulo 9 se muestra en mayor detalle las válvulas de control.
Son instrumentos que captan el valor de cierta variable de proceso, y cambian de estado cuando la variable excede cierto valor. Por ejemplo, un flotante en un tanque, el cual causa el cierre de la válvula de entrada de fluido al tanque, puede ser considerado un interruptor de límite. En algunas ocasiones los interruptortes de límite se pueden utilizar como controladores “ON/OFF”. Por ejemplo, el denominado “Termostato” de un sistema de aire acondicionado, se encarga de activar el compresor cuando la temperatura es mayor a cierto valor y de apagarlo cuando es inferior a otro límite.
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Un instrumento que capta la presión en el fondo de un tanque de agua y envía una señal por un lazo de corriente de 4 a 20 mA, proporcional al nivel de agua en el tanque es un:
Un instrumento utilizado para dar la orden de encendido de una bomba de agua para mantener la presión de un sistema de alimentación de agua a un edificio (sistema hidroneumático) es considerado un:
De la lista anterior indique cómo sería considerado el instrumento, si el mismo es utilizado para activar una alarma por alta presión en el sistema.
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3.1.2.- Transmisores eléctricos.
Los transmisores eléctricos se clasifican en dos grandes grupos: los analógico s y los inteligentes_._ En el primer caso están conformados por circuitos analógicos, y en el segundo caso están conformados por circuitos digitales basados en microprocesador.
La señal estándar para la transmisión eléctrica de variables de proceso es el lazo de corriente de 4 a 20 mA tal como lo establece la norma ANSI/ISA S50.1.
Las características principales del lazo de corriente de 4 a 20 mA son las siguientes:
El diagrama en bloque de un transmisor eléctrico con señal analógica de salida de 4 a 20 mA es mostrado en la Figura 3.2.
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Transductor
4-20 mA
I1(0-16mA)
I 4mA
Figura 3.2. Transmisor analógico a dos hilos.
Las fuentes de corriente I1, I2 son controladas por voltaje; I1 es controlada directamente por la señal proveniente del transductor/amplificador; I2 es fijada de modo que la corriente necesaria para alimentar al transmisor y a la propia fuente I2 sea de 4 mA.
El rango de la señal de corriente se seleccionó deliberadamente con supresión del cero (la corriente mínima es 4 mA, en lugar de 0mA) de modo de detectar rupturas en el cable que envía la señal (si el cable se rompe la corriente recibida será 0 mA).
Los transmisores analógicos son los de uso más difundido en la actualidad y sus características fundamentales son:
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ejemplo, un algoritmo Proporcional-Integral-Derivativo (PID), y comunicarse con una válvula inteligente (que utilice el mismo protocolo), sin necesidad de utilizar un controlador adicional.
- Transmisores analógicos inteligentes: En este caso el instrumento transmite la señal de las variables de proceso en forma analógica pero la circuitería interna es inteligente (basado en microprocesador), lo cual permite ciertas ventajas como son la configuración por software del rango de medición y tipo de sensor, compensación de las no linealidades del sensor, caracterización del transmisor, y en general, todas las características indicadas para el transmisor digital no relacionadas con la transmisión digital de la información.
Estos transmisores son totalmente compatibles con los transmisores analógicos convencionales, por lo que pueden ser utilizados para la sustitución de los mismos sin necesidad de cambios en el cableado o instrumentación asociada. Los transmisores analógicos inteligentes son menos exactos que los transmisores digitales, ya que el proceso de reconversión de la señal digital a analógica nuevamente introduce un error adicional no presente en el transmisor digital.
- Transmisores híbridos: Éstos son transmisores inteligentes con capacidad de comunicación tanto digital como analógica. Usualmente, la variable de proceso es transmitida en forma analógica estándar mientras que la comunicación digital es utilizada para intercambiar información de configuración y diagnóstico del instrumento, y es lograda a través del mismo par de cables por el cual se transmite la señal analógica.
Estos transmisores combinan las ventajas de los transmisores digitales y los analógicos y pueden utilizar el cableado existente de los transmisores analógicos convencionales. Si se requiere la capacidad de comunicación digital, solamente se necesita de un acoplador adicional conectado al lazo de corriente analógico. Los terminales portátiles de configuración pueden ser inclusive conectados directamente al lazo de corriente porque generalmente contienen incluido el hardware de acople.
Es de notar que la variable de proceso también puede ser transmitida en forma digital siendo un valor más exacto que el valor analógico. Este tipo de transmisor se tiende a utilizar en las nuevas instalaciones, ya que permite integrar una buena parte de las ventajas de la comunicación digital (diagnóstico y mantenimiento) y mantiene la información vital (variable de proceso) dentro del estándar internacional de mayor aceptación (4 a 20 mA), por lo tanto compatible con una amplia gama de instrumentos asociados al lazo de control.
En cuanto al esquema de conexión de la salida y la fuente de alimentación del transmisor, existen tres tipos de transmisores: a dos hilos, a tres hilos y a cuatro hilos (ver Fig. 3.3).
- Transmisores a dos (2) hilos: En este caso, la fuente de alimentación está conectada a la misma salida del transmisor (ver Fig. 3.3 (a)). Los transmisores a dos hilos se caracterizan porque tienen un bajo consumo de potencia (inferior a 50 mW) y la salida sigue el estándar de lazo de corriente de 4 a 20 mA.
La gran ventaja de los transmisores a dos hilos es que requieren menos cableado que los de 4 hilos, porque la alimentación y la señal de salida comparten el mismo par de cables, y adicionalmente consumen menos potencia. Igualmente los transmisores a dos hilos cuestan generalmente menos que los transmisores a 4 hilos.
Bajo ciertas condiciones no se pueden utilizar transmisores a 2 hilos, siendo algunas de ellas:
