Instrumentación Y Control Industrial PDF

Preview

Summary

FUNDAMENTOS DE LA INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL...

Description

CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS DE LA INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL El capítulo uno “Fundamentos de la Instrumentación de Control” es la introducción para los temas que componen el programa de la unidad de aprendizaje Instrumentación y Control Industrial. En el capítulo se identificará la clasificación de los sistemas de control, uno de los recursos más utilizados en el sector industrial, ya que gestionan la forma en la que se comportan otros sistemas. Además de la clasificación de los instrumentos de medición utilizados en la industria para medir la temperatura, caudal, presión, etc. Por último, se identifican los instrumentos de comunicación y actuadores entre los sistemas. Cada uno de estos dispositivos componen a los sistemas de control encargados de administrar, ordenar, dirigir o regular el comportamiento de estos. Los sistemas de control siguen una cadena donde se cumplen órdenes para poder funcionar; son un tipo de sistema en el que las variables de salida se comportan según las órdenes dadas por las variables de entrada. Se caracteriza por la presencia de una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema, para ser aplicados en la industria. Sus principales elementos son sensores, controlador y actuador, y estos son los que siguen las órdenes dadas. Existe una clasificación de los sistemas de control, estos pueden ser de lazo abierto y lazo cerrado. Esta separación va de la mano de la acción de control sobre la salida que nuestro sistema tenga intención de controlar. Aunque en sí poseen el mismo objetivo y tratan de cumplir las misiones descritas, lo cierto es que utilizar un sistema de lazo cerrado puede ser muy distinto a usar uno de lazo abierto. Un ejemplo simple de sistema de lazo abierto sería las lavadoras automáticas comunes, ya que estas pueden realizar los ciclos de lavado teniendo en cuenta un tiempo para mantener el control del sistema. Es considerado de lazo abierto ya que no necesita de los datos de salida, los cuales serían en este caso la limpieza de la ropa al terminar los ciclos. Se caracterizan por ser sencillos y de fácil mantenimiento, estar afectados por perturbaciones y depende altamente de la calibración del sistema. Entonces en este tipo de sistemas no existe información o retroalimentación sobre la variable a controlar. Es decir, la salida no depende en absoluto de la entrada. Se utiliza entonces en procesos y dispositivos en donde la variable es predecible y admite un margen de error amplio.

Un ejemplo empresarial de sistema de lazo cerrado serían los reguladores de sensibilidad que se encuentran en un depósito. Cuando se produce el movimiento de una “boya” se termina generando menos o más obstrucción en un chorro de aire o gas. Los sensores necesitan tener en cuenta los movimientos de la boya para activar en mayor o menor medida el sistema de control sobre la válvula de paso, abriéndose más cuando se acerque a su capacidad máxima para liberar presión. Entonces en este tipo de sistema de control sí hay información sobre la variable, incluso retroalimentación sobre los estados que va tomando. La información sobre la variable se obtiene mediante el uso de sensores que son colocados de forma estratégica. Los sensores hacen posible que el proceso sea completamente autónomo. Sus características son ser complejos y amplios en cantidad de parámetros, y ser más estables frente a perturbaciones y variaciones internas. Los instrumentos de medición Las herramientas de medición y de verificación se han venido usando desde el principio de los días para la construcción de todo tipo de cosas y se utilizan para la nivelación y alineación de las piezas o para la medición geométrica o dimensional de las mismas. La medición la definiremos como la comparación de una magnitud con su unidad de medida, con el fin de averiguar cuantas veces contiene la primera medida a la segunda medida. Las mediciones dimensionales que podemos realizar son: 



Medición directa: es la medición realizada con un instrumento de medida capaz de darnos por sí mismo y sin ayuda de un patrón auxiliar, el valor de la magnitud de medida lo obtendremos con solo leer la indicación de su escala numérica o su pantalla digital/analógica (medir con un metro, un calibre, cinta métrica, etc.). Medición indirecta o por comparación: es la medición realizada con un instrumento de medida capaz de detectar la variación existente entre la magnitud de un patrón y la magnitud de la pieza a medir (comparar una medida tomada con una pieza u otra medida cualquiera), resulta lenta y laboriosa para la medida de pocas piezas y rentable para la medición de muchas piezas.

Instrumentos de caudal Entre los principales tipos de medidores de presión diferencial se pueden destacar los siguientes:

       

Placas de orificio, Toberas, Tubos Venturi, Tubos Pitot, Tubos Annubar, Codos, Medidores de área variable, Medidores de placa.

Se estima que, actualmente, al menos un 75% de los medidores industriales en uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa de orificio. Medidores de caudal volumétricos Este tipo de medidores determinan el volumen de agua que pasa por una tubería por unidad de tiempo. Según el método de obtención del caudal se pueden clasificar de la siguiente forma: Medidores deprimógenos: se denominan de esta forma porque su instalación produce una diferencia de presiones, pérdida de carga, que se vincula con el caudal que circula, en una relación determinable. Dentro de éstos, se pueden diferenciar los siguientes tipos: 









Tubo Venturi: se componen de tres partes: una sección de entrada cónica convergente, una sección cilíndrica en la que se sitúa la toma de baja presión, y por último una tercera sección de salida cónica. Tobera: consta de un tubo corto cuyo diámetro disminuye en forma gradual de un extremo al otro y dos tomas de presión, una ubicada del lado anterior y otra ubicada del lado posterior. Placa orificio o diafragma: consiste en una placa perforada que se instala en la tubería. Para captar la presión diferencial es necesario conectar dos tomas, una antes y otra después de la placa. Tubo Pitot: es un instrumento sencillo, económico y disponible en un amplio margen de tamaños. Puede definirse como el instrumento para medir velocidades en un flujo mediante la diferencia de presiones estática y dinámica en una línea de corriente. Tubo Annubar: es una innovación del tubo Pitot. Consta de un tubo exterior situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería, y de dos tubos interiores.

 Las principales ventajas de dichos medidores son:

Su sencillez de construcción, no incluyendo partes móviles, su funcionamiento se comprende con facilidad, no son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberías y se comparan con otros medidores, pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos, y hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usos. Sus principales desventajas son: La amplitud del campo de medida es menor que para la mayoría de los otros tipos de medidores pueden producir pérdidas de carga significativas, La señal de salida no es lineal con el caudal, deben respetarse unos tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor que, según el trazado de la tubería y los accesorios existentes, pueden ser grandes, pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulación de depósitos o la erosión de las aristas vivas, la precisión suele ser menor que la de medidores más modernos, especialmente si, como es habitual, el medidor se entrega sin calibrar.

Factores para la elección del tipo de medidor de fluido Rango: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros cúbicos por segundo (m3/s) para sistemas de irrigación de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una instalación de medición en particular, debe conocerse el orden de magnitud general de la velocidad de flujo, así como el rango de las variaciones esperadas. Exactitud requerida: cualquier dispositivo de medición de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real. La mayoría de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud de más del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran exactitud. Pérdida de presión: debido a que los detalles de construcción de los distintos medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas cantidades de pérdida de energía o pérdida de presión conforme el fluido corre a través de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a cabo la medición estableciendo una restricción o un dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando así la pérdida de energía. Tipo de fluido: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas. Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosión, la conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades de lubricación y homogeneidad.

Calibración: se requiere de calibración en algunos tipos de medidores. Algunos fabricantes proporcionan una calibración en forma de una gráfica o esquema del flujo real versus indicación de la lectura. Algunos están equipados para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades de flujo que se deseen. En el caso del tipo más básico de los medidores, tales como los de cabeza variable, se han determinado formas geométricas y dimensiones estándar para las que se encuentran datos empíricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una diferencia de presión o un nivel de fluido. Instrumentos de medición Los instrumentos de medición son el medio por el que se hace esta conversión o medida. Dos características importantes de un instrumento de medida son la apreciación y la sensibilidad. Apreciación es la mínima cantidad que el instrumento puede medir (sin estimaciones) de una determinada magnitud y unidad, o sea es el intervalo entre dos divisiones sucesivas de su escala. Regla: Instrumento de forma rectangular y de poco espesor, el cual puede estar hecho de distintos materiales rígidos, que sirve principalmente para medir la distancia entre dos puntos o para trazar líneas rectas. Al medir con la regla debemos tener la precaución de iniciar la medida desde el cero de la escala, que no siempre coincide con el extremo de esta, si no que en muchas reglas el cero se encuentra a una pequeña distancia de dicho extremo, lo que puede conducir a un error de medición si no se presta atención a este detalle. Manómetro: Instrumento para medir la presión de los fluidos, basado en la igualdad de presiones en diversos puntos de un plano horizontal de un líquido en equilibrio (manómetro de columna líquida), o en la deformación de metal por efecto de la presión (manómetro de deformación). El manómetro de émbolo se usa para medir grandes presiones, y el vacuómetro, para las presiones muy bajas. Termómetro: Instrumento que sirve para medir la temperatura. El más usual se compone de un tubo de vidrio, uno de cuyos extremos contiene un líquido, por lo común mercurio, alcohol o azogue, que se dilata o se contrae a lo largo del tubo por el aumento o la disminución de la temperatura, señalando en una escala los grados de temperatura. Balanza: Instrumento de formas muy variadas para medir masas y pesos. Reloj: Instrumento o máquina para medir el tiempo o para dividir el día en horas, minutos y segundos. Barómetro: Instrumento para medir la presión atmosférica; puede ser de mercurio o metálico.

Voltímetro: Aparato que mide en voltios la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Amperímetro: Aparato para medir las intensidades de corriente eléctrica, graduado en amperes o fracciones de este. Cinta Métrica: Este instrumento se utiliza para medir longitudes. Está compuesto de una cinta o regla la cual esta expresada en metros y pulgadas. Fotómetro: Instrumento para medir la intensidad de la luz. Puede ser visual o fotoeléctrico. Fotómetro: Es un instrumento óptico que sirve para medir focales, tanto de lentes aisladas, como de conjuntos ópticos (objetivos u oculares). Dioptómetro: Es un instrumento óptico que sirve para medir potencias, tanto de lentes aisladas, como de conjuntos ópticos (objetivos u oculares). Frecuencímetro: Instrumento que se utiliza para medir las oscilaciones por seg. de una onda (frecuencia) senoidal, cuadrada o dientes de sierra. Vatímetro: Es un aparato que se utiliza para medir el consumo de energía de un circuito en watts, está formado internamente por un voltímetro y un amperímetro. Areómetro: Instrumento que se utiliza para medir la densidad del aire y otros gases. Nivel: Es un instrumento que se utiliza para medir el ángulo de una superficie. Calibrador: Instrumento para medir pequeñas longitudes con apreciación de 0,1 mm en los modelos más comunes con nonio de 10 divisiones, apreciación de 0,02 mm si tiene nonio de 50 divisiones, además de 1/128” en el nonio de pulgadas, por lo tanto, su apreciación dependerá de la cantidad de divisiones del nonio Micrómetro: Instrumento para medir pequeñas longitudes con apreciación de 0,1 mm en los modelos más comunes con nonio de 10 divisiones, apreciación de 0,02 mm si tiene nonio de 50 divisiones, además de 1/128” en el nonio de pulgadas, por lo tanto, su apreciación dependerá de la cantidad de divisiones del nonio

Los instrumentos para medir la presión son dispositivos de distintos materiales que poseen un elemento que cambia de algún modo cuando se somete a la presión. Ese cambio es registrado en una escala o pantalla calibrada, y se expresa en unidades de presión. Las unidades de medida en las que se expresa la presión indican una unidad de fuerza sobre unidad de área.

Aunque la unidad de medida estándar es el Pascal (N/m2), también se mide en libras por pulgada cuadrada (PSI), en atmósferas (atm), en kilogramos por centímetros cuadrados (kg/cm2), pulgadas de mercurio (Hg) y milímetros de mercurio (mm Hg). Tipos de presión Los diferentes tipos de presión son: 

De vacío.

  

Absoluta. Dinámica. Estática.

    

Atmosférica. Manométrica. Diferencial. Barométrica. Estancamiento

Existen varios instrumentos para medir la presión y, aunque la mayoría se utiliza para medir la presión relativa, hay algunos diseñados para medir la presión absoluta. Instrumentos principales para medir la presión 1- Manómetro diferencial También se le conoce con el nombre de manómetro de dos ramas abiertas. Este es un aparato que sirve para medir la diferencia de presión entre dos lugares. El fluido que utiliza el manómetro diferencial para indicar los valores puede ser cualquier líquido: agua, queroseno, alcohol, entre otros. La condición esencial es que no se mezcle con el fluido que está a presión. En caso de que se esté intentando medir presiones elevadas o diferencias muy grandes de presión, el líquido debería ser muy denso. En estos casos suele usarse mercurio. En un manómetro las medidas pueden ir desde 0 a 0,5 KPa (≈ 0.2”H2O); o desde 0 a 7000 KPa (≈ 1000 psi). 2- Manómetro truncado Es un tipo de manómetro que se utiliza para medir pequeñas presiones gaseosas. Mide presiones absolutas y tiene las ramas más cortas que el diferencial. 3- Vacuómetro Es un dispositivo que se utiliza para medir el vacío; es decir, para medir presiones inferiores a la presión atmosférica.

Resulta ser una herramienta muy útil en plantas de frío o donde se trabajan gases licuados, debido a que los puntos críticos de los gases y del vapor se calculan con base en temperaturas y presiones absolutas. Aunque el rango de medición depende del material del que esté elaborado, puede abarcar medidas entre -0,5 y 0 KPa; y de -100 a 0 KPa (≈ -30 a 0 “Hg). Algunos de los tipos de vacuómetros son: Vacuómetro McLeod: Es un vacuómetro analógico con escala cuadrática de lectura directa. Pistón-cilindro: Es un método primitivo de medición de presión que se conoce como balanza de presión o de pesos muertos. Consiste en unas balanzas que tienen una cámara de vacío que se coloca por arriba para eliminar la corrección del empuje del aire. 4- Sensores de presión Los sensores de presión son dispositivos diseñados para someter a los materiales a una presión que los deforma en su rango elástico. Tal deformación es proporcional a la presión usada y se considera lineal. De esta manera, los sensores de presión transforman la presión en desplazamiento. Luego, el sensor convierte el movimiento en una señal eléctrica como voltaje o corriente. Los transductores de presión más universales son:   

La galga extensiométrica. Los capacitadores variables. La piezoeléctrica.

5- Tubo U Consiste en un tubo de vidrio doblado en forma de U, que se llena parcialmente con un líquido de densidad conocida. Uno de los extremos del tubo se conecta al objeto o al espacio en el que se quiere medir la presión, mientras que el otro extremo se deja libre. La presión ejercida en el extremo donde hay alta presión provocará el movimiento del líquido dentro del tubo. Ese movimiento se reflejará en una diferencia de nivel (o altura) marcada como h, y que depende de la presión y de la densidad del líquido en el tubo. 6- Tubo de Bourdon Se trata de aparato con un tubo metálico y elástico, que se aplana y se curva de una forma especial. Cuando se le aplica presión, el tubo se endereza y su extremo libre se desplaza. Es este movimiento el que mueve las palancas y los engranajes, que terminan desplazando una aguja que indica la presión en la escala. 7- Fuelle

Este instrumento tiene un componente elástico en forma de fuelle o acordeón, al que se le aplica la presión que se pretende medir. Al aplicarle la presión, el fuelle se estira y es ese movimiento el que desplaza a la aguja indicadora de la medida. 8- Manómetro de diafragma Este instrumento es una variante del manómetro de fuelle. Tiene forma de disco al que se le hacen corrugaciones circulares concéntricas. En este dispositivo la presión se ejerce sobre un diafragma elástico, cuya deformación se traduce en el movimiento del puntero indicador de la medida. El diafragma también puede ser metálico, en cuyo caso se vale de la característica elástica del material a medir. Este tipo de manómetro se usa para medir presiones diferenciales bajas o presiones de vacío. 9- Barómetro Es el instrumento utilizado para medir la presión atmosférica. Existen varios tipos de barómetros: Tubo de Torricelli: Consiste en un tubo de 850 mm de longitud que se cierra en la parte superior y se mantiene abierto en su lado inferior para llenarlo con mercurio. El nivel de este metal líquido es el que indica la presión que hay. Barómetro Fontini: Es la versión mejorada del tubo de Torricelli y se emplea en las estaciones meteorológicas para obtener mediciones muy precisas y a escalas diferentes. Barómetros metálicos: Es un tipo de barómetro que funciona a base de gas, por lo que es menos sensible que los de mercurio, pero resulta práctico. Altímetro: Es el tipo de barómetro metálico utilizado para medir la altitud sobre el nivel del mar. Barómetro aneroide: Es un cilindro de paredes elásticas que mide las variaciones de la presión atmosférica. 10- Esfigmomanómetro Consiste en un brazalete inflable, un manómetro y un estetoscopio que permite medir indirectamente la presión arterial, mediante el auscultamiento de los sonidos de Korotkov. Puede funcionar con mercurio o aire y requiere la utilización de un estetoscopio o fonendoscopio.

Hay una variante de este aparato que es electrónico. Es preciso y muy fácil de usar, por lo que se ha hecho muy popular. Es un dispositivo muy sensible a los ruidos y a los movimientos.

Instrumentos principales para medir la temperatura Termómetro de máxima y mínima: Sirve para medir las temperaturas extremas alca...