MEDIDORES DE PRESION

La primera tarea de un sistema automatizado consiste en obtener la información del proceso que está controlando. El contar con dispositivos é instrumentos que se encarguen entonces de medir correctamente las variables;de estos procesos es fundamental para el óptimo control de los mismos.

Existen diversas variables cuyas formas de medición son también muy variadas. Sin embargo vamos a describir principalmente las que son consideradas las más importantes en la mayoría de los procesos industriales: presión, temperatura, nivel y flujo.

MEDICIÓN DE PRESIÓN

Existen varias formas de clasificar los elementos o dispositivos medidores de presión. Una de ellas, los divide en aquellos denominados de balance de gravedad, los que emplean dispositivos de deformación elástica y los que utilizan elementos que entregan una respuesta eléctrica representativa de la presión medida. El tipo de presión que mayormente se mide en los procesos industriales es la denominada presión manométrica que es la que tiene icomo referencia o punto de partida a la presión atmosférica. Para tal fin se emplean medidores llamados manómetros cuyas escalas están graduadas en diversas unidades. En la tabla siguiente podemos comparar las unidades más importantes:

Tabla I Comparación de unidades de presión

DISPOSITIVOS DE BALANCE DE GRAVEDAD

Miden presiones desconocidas, balanceándolas en contra de la fuerza gravitacional de líquidos; a pesar de que son más usados en laboratorio, encuentran aplicaciones en plantas industriales.

Dentro de los más usados se encuentran los manómetros de tubo en "U", los de tubo inclinado, los de cubeta y los de cubeta de tubo inclinado. En estos casos, el líquido manométrico a utilizar es el mercurio, aunque el agua también se usa cuando se trata de medir presiones bajas. Adicionalmente a estos dispositivos, se tienen la de tipo flotador y aquellos con líquido de sello que poco a poco van siendo dejados de lado por otros tipos de medidores.

ELEMENTOS DE DEFORMACIÓN ELÁSTICA

Son dispositivos que alteran su forma cuando son sometidos a presión. Dentro de estos, aparecen los tubos de Bourdon (en "C", en espiral y helicoidal), en donde la forma y tipo de material definen el rango de aplicación; también, se utilizan los denominados diafragmas,, cápsulas y fuelles, generalmente común en medición de presiones relativamente más bajas que para el caso de los tubos de Bourdon). Estos elementos han sido los más empleados en la fabricación de manómetros.

Fig 1 - Manometros

TRANSDUCTORES ELÉCTRICOS DE PRESIÓN

Cualquiera de los dispositivos de deformación elástica puede ser unido a un dispositivo eléctrico para formar un transductor eléctrico de presión. Estos, producen cambios de resistencia, inductancia o capacitancia. Dentro de los primeros se deben mencionar a las galgas extesisiométricas (strain gagas). Una galga extensiométrica es simplemente un alambre muy fino formando una grilla la cual está pegada a un papel especial. Cuando la grilla es afectada por la presión, ocurre un cambio de resistencia de acuerdo a la siguiente fórmula:

En donde p es la resistividad del alambre, L la longitud del mismo y A, el área de la sección recta.

Este tipo de transductor puede ser usado para detectar pequeños movimientos y por lo tanto pequeños cambios de presión. Las galgas extensiometricas utilizan circuitos con puente de Wheatstone para obtener una salida eléctrica. Otro tipo de transductor similar emplea un disco elástico en el cual, el elemento de deformación es de silicio y está sellado en un fluido con silicona y protegido por un diafragma.

El sensor tipo capacitivo consiste de dos placas1 conductivas y un dieléctrico. A medida que aumenta la presión, las1 placas tienden a apartarse, cambiando su capacitancia. El fluido que está: midiendo, sirve de dieléctrico.

Debido a que la medición de nivel y de flujo requieren en algunos casos medir presión diferencial, este tipo de presión es de gran importancia en los procesos industriales. Dentro de los dispositivosj más utilizados se emplean algunos cuya salida normalizada, los convierte en transmisores, sean neumáticos o electrónicos. En ambos casos se trata de instrumentos en donde una cápsula de diafragma o sensor capacitivo sirve de sensor primario radicando desde luego la principal diferencia en la estructura de salida (transmisión).

GENERALIDADES DE LOS INSTRUMENTOS

Que son los sensores?

Son los elementos que detectan o sensan cambios en el valor de la variable controlada. A menudo se denominan elementos primarios y en algunos casos forman parte de un bloque con el llamado transmisor o aquel que recibe la salida del sensor y adapta esta señal con fines de transmitirla; a este conjunto se la denomina transductor.

En general, la respuesta de un sensor determina cuan bien se va efectuar la medición, el registro o control de una variable; y su selección es el resultado de conocer bien las características de un proceso. Algunas de las características más importantes de un sensor o transductor que definen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolución, etc. Otro aspecto importante es el denominado tiempo de respuesta o tiempo necesario para que el dispositivo entregue la información final. En la medida que este retardo se pueda minimizar, se tendrá un mejor control del proceso

Los retardos de medición implican errores mientras el proceso está cambiando. La medición no es sólo tardía, sino también inexacta, debido a que sigue cambiando, aún teniendo ya una lectura disponible. A más lentitud en la respuesta, más inexactitud en la medición cuando sea recibida. Un disturbio de corta duración, sin embargo, puede ser completamente indetectado si su duración es corta comparada con el retardo de medición. En ese caso, probablemente el disturbio tendrá mínimo efecto en el proceso

La capacidad térmica de un sensor es función de su tamaño, forma y material. La resistencia al flujo de calor, sin embargo, depende de la naturaleza del fluido y de su velocidad. Como ejemplo, la curva de respuesta de una termocupla expuesta colocada en un fluido a temperatura, es una curva exponencial que llega al 83% de su amplitud final en un tiempo menor que al de una termocupla dentro de un termopozo. La diferencia en retardo se debe a la mayor capacidad (aumento de masa) del segundo sensor. En general, para cualquier variable a ser medida, estas consideraciones acerca del tiempo de respuesta son gravitantes en la respuesta de los otros elementos e instrumentos que existen en un determinado sistema de control.

Que son en si los transmisores?

Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las electrónicas las cuales han ido reemplazando en el tiempo a las neumáticas como señales aplicadas a estos equipos; las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor.

Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente, de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 -100% de la variable. Esta señal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumáticos en Estados Unidos. En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0,2-1 kg/cm2 que equivale aproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm2). Las señales neumáticas mencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como señales de entrada a válvulas de control o a sus posicionadores.

Los transmisores electrónicos generan varios tipos de señales eléctricas de corriente continua y señales digitales. Entre las primeras, las más empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La señal electrónica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas, emplea sólo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamente sobre miliamperímetros, potenciómetros, calculadores analógicos, etc. sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la señal. El "cero vivo" con el que empieza la señal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avería por corte de un hilo (la señal se anula) y de permitir el diferenciar todavía más el "ruido" de la transmisión cuando la variable está en su nivel más bajo.

Los transmisores electrónicos se pueden catalogar en analógicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analógicos están hoy prácticamente en desuso y debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

La tecnología actual, ha hecho que los transmisores electrónicos, no sólo incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que además, tengan posibilidades de control (PID) sobre e! elemento final de control. A estos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre los analógicos como veremos más adelante Por otro lado, el empleo cada vez mayor de señales digitales en estos transmisores determinará en algún momento la estandarización de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la señal analógica de 4-20 mA.

Fig. 4 - Transmisores Digitales

Y los controladores?

Tal como se ha comentado, el controlador es el que determina las acciones necesarias para mantener las variables de un proceso en el valor deseado (controlador de procesos) ó también puede ser aquel que asegura las secuencias necesarias de producción en base a un programa preestablecido (PLC). Vamos a referirnos aquí al primero de ellos.

Un controlador de procesos (ó regulador), puede ser definido como un dispositivo que compara el valor de una variable medida (señal de entrada) al valor deseado (set point) para producir una señal de salida que mantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia para manipular la variable controlada. La tecnología de estos equipos ha variado desde neumáticos, hidráulicos hasta electrónicos, que son los empleados actualmente.

Anteriormente, se mostró un típico lazo de control automático con los componentes básicos: el elemento de detección (sensor) el elemento de medición (transmisor), el elemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (válvula u otro). Es de destacar que dos o más de estos elementos pueden estar formando un solo bloque, pero no es lo más usual.

Fig 5 - Controladores Digitales

Durante muchos, años se emplearon controladores neumáticos actuando con las señales neumáticas estándares antes mencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrónicos analógicos y digitales. Los primeros, prácticamente ya no se fabrican (aunque todavía se utilizan) y han sido reemplazados por los últimos, los cuales están basados en microprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores.

A que le llaman elementos finales de control?

Son aquellos que finalmente responden, dentro de un lazo de control para realizar un cambio en la variable controlada. En la mayoría de los procesos las válvulas de control, son las usadas, si se trata de: controlar variables como flujo, presión, nivel, temperatura o mezcla cíe componentes. La mayoría de los flujos de fluidos son controlados por válvulas neumáticas o eléctricas, en otros casos se emplean bombas; para servicios de gases a menudo se emplean válvulas especiales y para sólidos es común hablar de fajas transportadoras alimentadas y con control de velocidad electrónico.

de control 

Algún

Dentro de este grupo podemos citar algunos dispositivos e instrumentos que realizan otro tipo de funciones como indicadores, registradores, conversores, alarmas e interruptores y elementos de funciones especiales.

En lo respecta a indicadores, se incluyen elementos que tienen escalas graduadas que pueden ser lineales o no; los indicadores pueden ser analógicos (con aguja indicadora o incluso con barras verticales de diferente color) o digitales que presentan la variable medida en forma numérica.

Los registradores proveen registros continuos de las variables medidas con respecto al tiempo, las cartas registradoras, usan esencialmente las mismas escalas que los instrumentos indicadores, pero con una coordenada adicional para indicar tiempo: pueden ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables. Las velocidades de registro varían desde varios minutos por revolución hasta varios días por revolución, en el caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo a centímetros por hora, para los de carta de cinta. Actualmente se dispone también de los llamados registradores inteligentes (basados en microprocesadores) que van mucho más allá de registrar las tendencias de las variables (es posible hacer análisis, reportes, etc.) siendo la tendencia a dejar de emplear papel y más bien guardar los datos en memoria (acción hasta hace poco realizada solamente por los llamados data loggers) y mostrarlos en una pantalla de cristal líquido (LCD) o a través de una computadora.

El desarrollo de controladores electrónicos creó la necesidad de contar con dispositivos que convirtiesen señales de un tipo de energía a otro y de un nivel de señal a otro, como el conversor de corriente a presión para actuar sobre las válvulas neumáticas.

A menudo se requiere convertir señales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemas electrónicos que reciben señales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores que envían señales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizaría un conversor de corriente a corriente aunque ya hoy en día, esto constituye una opción de software y no de hardware, como también ha sucedido con los extractores de raíz cuadrada y otros dispositivos de cálculo debido al desarrollo de la tecnología digital.

Las funciones de alarma e interrupción, se utilizan ante condiciones anormales de un proceso. Los dispositivos empleados para estas funciones, pueden simplemente indicar o también realizar alguna acción de control. Adicionalmente, se pueden citar otros elementos que se usan en diversas aplicaciones, como por ejemplo, temporizadores, válvulas-solenoide, programadores, etc. cuyo uso va a depender del tipo de control y del proceso mismo.

otro elemento o instrumento mas?

Válvula

neumática

INTRODUCCION

En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por el operador (hoy aún existe este tipo de control en muchas fábricas); la labor de este operador consistía en observar lo que está sucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y hacía algunos ajustes (como abrir la válvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador. Este lazo - proceso a sensor, a operador, a válvula, a proceso - se mantiene como un concepto básico en el control de procesos.

En el control manual, sin embargo, sólo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errático; más aún, esta persona estará siempre limitada por el número de variables que pueda manejar.

Por otro lado, la recolección de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, que ya está dedicando tiempo importante en la atención de los procesos observados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir números y datos, que evidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se puede conjugar en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletos y difíciles de manejar.

El control automático a diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales. Adicionalmente a esto, existen una serie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para lograr cumplir con varias funciones, algo que como se ha comentado, sería imposible de ser logrado por un operador con la precisión y eficiencia deseados.

Un poco de Historia

El control de los primeros procesos industriales se basó en la habilidad de los operadores (control manual). En los años siguientes, la aparición de los consoladores locales permitió al operador manejar varios lazos de control, pero subsistía aún el problema de recolección de datos. Los controladores locales son aún muy útiles, así como también resistentes y simples. Sin embargo, debido a que están directamente relacionados con el proceso y por lo tanto están diseminados a través de toda la planta, obviamente hace que el realizar mantenimiento y ajustes en dichos instrumentos demande mucho tiempo.

El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente marcó un mayor avance en el control de procesos. Aquí las variables pueden ser convertidas en señales neumáticas y transmitidas a controladores remotos. Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumático realizaba simples cálculos basados en una señal de referencia (set point) y la variable del proceso y ajusfar adecuadamente el elemento final de control. La ventaja estaba en que el operador podía controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizar los cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radicaban en la lentitud de la respuesta del sistema de control de cambios rápidos y frecuentes y a su inadecuada aplicación en situaciones en que los instrumentos estén demasiado alejados (pérdidas).

Alrededor de los 60, los dispositivos electrónicos aparecieron como alternativa de reemplazo a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos para un lazo cerrado, son rápidos, precisos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos; sin embargo, la mejora en cuanto a operación con respecto a los neumáticos era relativamente pequeña y además la recopilación de datos, aún no muy fácil de manejar.

Algún tiempo después de la aparición de los sistemas de control electrónicos analógicos, el desarrollo de los microprocesadores permitió el surgimiento de los transmisores y controladores digitales, así como de los controladores lógicos programables (PLC), además, de sistemas especializados como por ejemplo, las máquinas de control numérico computarizado (CNC)

El empleo de las computadoras digitales no se hizo esperar; de su aplicación, aparecen los sistemas de control digital directo (DDC), hasta los sistemas de supervisión y control actuales, con los cuales se logra manejar un gran número de procesos y variables, recopilar datos en gran cantidad, analizar y optimizar diversas unidades y plantas e incluso, realizar otras actividades, como planificación de mantenimiento, control de calidad, inventario, etc

Independientemente de la tecnología, la evolución de las técnicas de control han tenido como uno de sus objetivos fundamentales, reemplazar la acción directa del hombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos y sistemas automáticos, sin embargo, existe una analogía muy clara entre estos últimos y el hombre, en los que respecta a la forma de actuar

El tipo de proceso elegido para un determinado producto final dependerá de sus requerimientos de producción y cantidades. En cualquier caso, para el control del mismo es necesario tener un conocimiento acerca de la instrumentación utilizada y en general de los aspectos mecánicos relacionados al proceso. El control óptimo sin embargo, no solamente está en función de los dispositivos, equipos y sistemas a emplear, sino fundamentalmente del conocimiento del proceso que se desee controlar.

Instrumentos y equipos para el Control y Automatización de Procesos

Industrialmente, los instrumentos se utilizan para monitorear y controlar variables de procesos. Dependiendo del tipo de procesos, como veremos más adelante, se seleccionan los componentes del mismo. A continuación se muestra un diagrama en bloques de un sistema de control de lazo cerrado o realimentado. No es la única forma de controlar un proceso, pero nos va a servir para identificar las funciones de los principales instrumentos de campo y panel utilizados para medir y controlar variables industriales.

Aquí el proceso puede ser físico o una reacción química o conversión de energía. Existen distintos tipos de disturbios que afectan las condiciones del proceso. Estos disturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso.

La variable controlada, es el parámetro que se desea controlar hasta el valor deseado o referencia (set point). El sensor mide el valor de la variable controlada y el transmisor, cambia este valor en una señal normalizada que puede ser transmitida. Esta señal es recibida por distintos componentes, dependiendo de la función de los instrumentos en et sistema tales como registro, indicación, control y activación de alarmas o enclavamiento.

En el caso del controlador (en este caso un controlador de procesos), esta señal (variable medida) es comparada con el set point y la diferencia (desviación) sirve para el elemento final de control (comúnmente una válvula) para ajusfar el valor de la wariable manipulada. Este ajuste, hace que el valor de la variable controlada se dirija hacia el de la referencia.

Desde luego, no todos los sistemas de control automático tienen exactamente este modelo (llamado de realimentación); existen variaciones como por ejemplo, él control prealimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre éstos, etc. basados en instrumentos de tecnologías antiguas o modernas; de todas estas tecnologías, vamos a referirnos a aquellas relacionadas con procesos continuos de regulación automática, como veremos más adelante.

Veamos ahora algunas consideraciones relacionadas a los componentes del diagrama anterior, desde los sensores hasta los elementos finales de control, mencionando también aspectos de otros instrumentos no considerados en aquel diagrama, pero que también tienen importancia en algunos lazos de control.