REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA. MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANA. INGENIERÍA ELECTRÓNICA, SECCIÓN D01. 6 TO SEMESTRE
TERMINOLOGIA EN INSTRUMENTACION INSTRUMENTACION Y CONTROL DE PROCESOS
Medina, Edward Joan CI 19.226.046
Profesor: Kliver Maita Padrón
Caracas, 1 de junio de 2013.
Introducción El presente trabajo tiene como objetivo primordial conocer la terminología básica utilizada en instrumentación industrial, sistemas de instrumentación y control de procesos industriales, la cual abarca lo que son elementos del lazo de control, clasificación de instrumentos según su función dentro del lazo de control, parámetros operativos de un instrumento. Instrumentación una colección de instrumentos o su aplicación con el propósito de observar, medir o controlar. La instrumentación industrial Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados para apoyar al usuario en la medición, regulación, observación, transformación, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un proceso productivo. También es el grupo de elementos que sirven para medir, convertir, transmitir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en éste. Instrumento un dispositivo que toma una variable física de un proceso y realiza una función específica dentro un sistema de control.
Elementos de un lazo de control: variables
Variables de proceso Son aquellas que pueden cambiar las condiciones de un proceso o son aquellas variables que permiten conocer y controlar los procesos. Las variables pueden ser: -Temperatura -Presión -Nivel -Caudal -Distancia -Posiciones -Torque Entre otras.
Variable controlada La variable controlada es la cantidad o condición que se mide y controla. Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el sistema, su monitoreo a través de un sensor es una condición importante para dar inicio al control.
Variable directamente controlada En un lazo de control, la variable cuyo valor es censado
para originar una señal
de
retroalimentación
Variable indirectamente controlada Una
variable que no origina una señal de retroalimentación pero está relacionada con e
influenciada por la variable directamente controlada.
Variable Manipulada Es el parámetro a través del cual se debe corregir las perturbaciones del proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema. En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor cantidad de energía al sistema es el ingreso de vapor, por lo tanto la variable a manipular será el flujo de ingreso de vapor.
Variable medida Es aquella que se desea mantener estable; cantidad, propiedad o condición que es medida. Variable controlada La salida o variable controlada como la respuesta que da el proceso ante la señal que lo excita. Variable manipulada La entrada o variable manipulada como la señal que excita al proceso.
Elementos de un lazo de control
Elemento primario de control Elemento primario de control (sensor): el elemento del sistema que cuantitativamente convierte la energía de la variable medida en una forma susceptible para medición. Para los transmisores que no tengan elementos primarios externos, internamente tienen una porción de medición que es un elemento primario. Sensor es el elemento primario este se encarga de captar o medir los cambios físicos en la variable controlada. El captador o sensor es el elemento que recibe la señal de salida o controlada, la convierte y reintroduce en el sistema como señal realimentada.
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.
Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, robótica, industria aeroespacial, medicina, industria de manufactura, etc. Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc Transductor Transductor un elemento o dispositivo que recibe información en la forma de una cantidad y convierte esta información en la forma de la misma u otra cantidad. Transductor es aquel que detecta y convierte una magnitud física en una señal que pueda ser interpretada por el sistema de control. Es el elemento que detecta la señal de entrada, mando o referencia y la convierte en una magnitud física que el sistema sea capaz de interpretar.
Transmisor Transmisor un transductor que responde a la variable medida por un elemento de medición y la convierte en una señal de trasmisión estandarizada que una función solamente de la variable.
El actuador o elemento final de control Se encarga de realizar el ajuste en la variable manipulada según la decisión del controlador. El elemento del control directo que cambia directamente el valor de la variable manipulada.
Controlador
El termino controlador en un sistema de control con retroalimentación, a menudo está asociado con los elementos de la trayectoria directa entre la señal actuante (error) e y la variable de control u. Pero, algunas veces, incluye el punto de suma, lo elementos de retroalimentación o ambos. El controlador es una componente del sistema de control que detecta los desvíos existentes entre el valor medido por un sensor y el valor deseado o “set point”, programado por un operador; emitiendo una señal de corrección hacia el actuador. Un controlador es un bloque electrónico encargado de controlar uno o más procesos. Al principio los controladores estaban formados exclusivamente por componentes discretos, conforme la tecnología fue desarrollándose se emplearon procesadores rodeados de memorias, circuitos de entrada y salida. Actualmente los controladores integran todos los dispositivos mencionados en circuitos integrados que conocemos con el nombre de microcontroladores. Los controladores son los instrumentos diseñados para detectar y corregir los errores producidos al comparar y computar el valor de referencia o “set point”, con el valor medido del parámetro más
importante a controlar en un proceso.
Punto de consigna o setpoint o punto de ajuste o punto de referencia Una variable de entrada que establece el valor deseado de la variable controlada, esto se puede hacer a través de un elemento de entrada de referencia y puede lograrse manualmente, automáticamente o programadamente. El punto de ajuste del Proceso es la señal de entrada basada en la cual el operador establece la operación del sistema. Este punto de ajuste o referencia constituye el valor de salida deseado. Puede representar un punto de ajuste de presión, flujo, velocidad, par, nivel o temperatura. Esta entrada se define por lo general con un potenciómetro u otro dispositivo de voltaje analógico.
Perturbación Un cambio indeseado que toma lugar en un proceso y que tiende a afectar adversamente el valor de una variable controlada. Perturbación del proceso
Las perturbaciones del proceso, son aquellas afectan el control de proceso. Dan siempre fluctuaciones en la señal de salida del proceso, no importando si el sistema esta realimentado o no.
Normalmente es una tarea primordial del sistema de control el que los disturbios tengan tan poco efecto negativo como sea posible en la señal de salida.
Clasificación de instrumentos según su función dentro del lazo de control
Instrumento ciego
Instrumento ciego: son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Ejempló: hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que solo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos, los trasmisores de caudal, presión, nivel, temperatura sin indicación.
Instrumentos indicadores Disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos.
Instrumentos registradores Instrumentos registradores registran con trazo continuo o a punto la variable, y pueden ser circulares o de grafico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico. Registran gráficamente la evolución de la variable. Los registradores de grafico circular suelen tener el grafico de 1 revolución en 24 horas mientras que en los de gráfico rectangular la velocidad normal de grafico es de unos 20mm/hora.
Los elementos primarios (sensores)
Los elementos primarios están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación
de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromotriz. Instrumentos transmisores
Los transmisores captan la variable de proceso a través del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de señal neumática de margen 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) o electrónica de 4 a 20 mA de corriente continua. La señal neumática de 3 a 15 psi equivale a 0,206 - 1,033 bar (0,21- 1,05 kg/cm2) por lo cual, también se emplea la señal en unidades métricas 0,2 a 1 bar (0,2 a 1 kg/cm2). Asimismo, se emplean señales electrónicas de 1 a 5 mA c.c., de 10 a 50 mA c.c. y de 0 a 20 mA cc., si bien la señal normalizada es de 4-20 mA c.c. La señal digital utilizada en algunos transmisores inteligentes es apta directamente para ordenador.
Instrumentos transductores
Los transductores reciben una señal de entrada función de una o más cantidades Físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP /I (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP / P (presión de proceso a señal neumática), etc.
Indicadores locales
Son aquellos instrumentos que captan la variable de proceso y la muestran en una escala visible localmente. Los indicadores locales más utilizados son los manómetros (presión), termómetros (temperatura), rotámetros (caudal), etc.
Normalmente estos instrumentos no llevan electrónica asociada, aunque también se consideran indicadores locales a los indicadores electrónicos conectados a los transmisores. Estos últimos pueden ser analógicos o digitales.
Instrumentos interruptores
Interruptores: Son aquellos instrumentos que captan la variable de proceso, y para un valor establecido actúan sobre un interruptor. Es decir, cambian de estado de reposo a activado cuando el proceso llega a un valor predeterminado. Es un instrumento todo-nada. Los instrumentos más habituales son los presostatos (presión), termostatos (temperatura), interruptores de nivel, flujostatos (caudal), etc.
Instrumentos convertidores
Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejemplo: un convertidor P /I (señal de entrada neumática a señal de salida electrónica), un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática). Conviene señalar que a veces se confunde convertidor con transductor. Este último término es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una señal de instrumentos.
Instrumentos receptores
Los receptores reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en señal neumática, o 4-20 mA c.c. en señal electrónica, que actúan sobre el elemento final de control.
Instrumentos controladores
Comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen 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.
Elemento final de control
Elemento final de control. Recibe la señal del controlador y modifica las acciones de control. Son aquellos instrumentos que reciben un tipo de señal procedente de un controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control. Los más habituales son las válvulas de control, servomotor o variador de frecuencia. Los instrumentos se clasificarán de acuerdo con la variable de proceso medida por el sistema del que forma parte. Los instrumentos se dividirán pues en instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, humedad, viscosidad, etc. Cabe decir que si tenemos un sistema de medición de presión que da una respuesta en forma de corriente los instrumentos del mismo serán de presión.
Características estáticas y dinámicas de los instrumentos
Rango
La región entre los límites dentro de la cual se mide, recibe o transmite una cantidad expresada por el conjunto valor más bajo y valor más alto.
Rango de cero elevado
Un rango en el que el valor cero de la variable o señal es mayor que el valor mas bajo del rango.
Rango de cero suprimido
Un rango en el que el valor cero de la variable o señal es menor que el valor mas bajo del rango.
Spam o alcance
Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.
Rangeabilidad
Cociente entre el valor de medida superior e inferior del instrumento.
Error
Diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor ideal de la variable medida.
Otro concepto
Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida.
Incertidumbre
Dispersión de valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.
Precisión
Precisión (accuracy) tolerancia de medida o de transmisión del instrumento. Intervalo donde es admisible que se situé la magnitud de la medida.
Banda muerta
La banda muerta de un instrumento de medición es el rango de valores, dentro del cual puede variar la variable medida sin que se produzcan variaciones a la salida del instrumento. Banda muerta, se mide durante el cambio de dirección de la variación de la señal medida. La banda muerta tiene su origen en fricciones mecánicas, inercias eléctricas, y , otras manifestaciones que impliquen almacenamiento o intercambio de energía.
Tiempo muerto
Tipo de retardo donde el instrumento comienza a responder solamente cuando la variable ha cambiado en una magnitud lo suficientemente grande para vencer la inercia. El tiempo muerto depende de la velocidad con que la variable medida cambie y de la zona muerta del instrumento.
Zona muerta
Campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta.
Sensibilidad
El cociente entre el cambio en la magnitud de salida que ocurre en el instrumento y el cambio en la variable de entrada que lo produce una vez que se está en estado estable.
Exactitud
Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida.
Repetibilidad
Capacidad de reproducción de la señal de salida, del instrumento al medir repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación.
Histéresis
Diferencia máxima que se observa para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en porcentaje del alcance de la medida.
Otro concepto de histéresis
La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente.
Resolución
Es la menor diferencia de valor que el aparato puede distinguir. Se mide por la mínima diferencia entre dos valores próximos que el instrumento es capaz de distinguir.
Otro concepto de resolución Magnitud de los cambios en escalón de la señal de salida (expresados en tanto por ciento de la salida de toda la escala) al ir variando continuamente la medida en todo el campo. Es también el grado con que el instrumento puede discriminar valores equivalentes de una cantidad, o la menor diferencia de valor que el aparato puede distinguir.
Tiempo de retardo Es el tiempo transcurrido desde la aplicación del escalón de entrada hasta que la salida alcanza el 100% de su valor permanente.
Conclusión
Variables de proceso Son los elementos que poseen características dinámicas, estáticas, químicas y físicas que pueden cambiar las condiciones de un proceso; son aquellas variables que permiten conocer, controlar los procesos y que constantemente se pueden medir. Variable controlada Es la repuesta que da el proceso ante la señal que lo excita; es el parámetro más importante del proceso debido a que se debe mantener estable (sin cambios), pues si se altera afecta las condiciones requeridas en el sistema, por ello se monitorea a través de un sensor para dar inicio al control. Es la variable que está dentro del bucle de control es captada por el transmisor para generar una señal de retroalimentación. Variable manipulada Como la señal que excita al proceso; es la que se modifica para afectar directamente a la variable controlada, es la herramienta para modificar la variable directamente controlada en el proceso. Es la cantidad que se encarga de variar los instrumentos finales de control. Elemento primario de control es el sensor, que cuantitativamente convierte la energía de la variable medida en una forma susceptible para medición. Se encarga de captar o medir los cambios físicos en la variable controlada, recibe la señal de salida o controlada, la convierte y reintroduce al sistema como señal retroalimentada. Un sensor es un dispositivo que se encarga de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación y transformarlas en variables eléctricas. Transductor es un elemento o dispositivo que se encarga de la recepción de información en la forma de una cantidad y convierte esta información en la forma de la misma cantidad u otra cantidad. Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, indicador, registrador, controlador o combinación de estos. El actuador es un dispositivo que se encarga de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y en función de ella genera una orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.
El controlador es el cerebro del proceso y se encarga de generar error entre la variable Controlada y el punto de control y así generar la ley de control que finalmente ajustara la variable manipulada. El controlador puede ser un elemento físico tangible o intangible como por ejemplo un programa. Set point o punto consigna o punto de ajuste o punto de referencia Es el valor al que se desea mantener una variable que puede cambiar las condiciones de un proceso. Perturbación Un cambio indeseado que se da en un proceso y que tiende a afectar desfavorablemente el valor de una variable controlada. Clasificación de los instrumentos según su función dentro del lazo de control Se pueden clasificar los instrumentos de acuerdo a su función dentro del sistema de control, la variable que maneja o la energía para su operación. Instrumento ciego Es el instrumento que no tiene indicación visible de la variable, por ejemplo los instrumentos de alarma que emiten una señal una vez que la variable h alcanzado un valor determinado. Los transmisores son también considerados por lo general como instrumentos ciegos. Instrumentos indicadores Indican con una aguja en una escala graduada, en una pantalla digital o en una de colores el valor de una variable. Instrumentos registradores Son instrumentos que registran a trazo continuo o a punto la variable, y pueden ser circulares o de grafico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico. Registran gráficamente la evolución de la variable. Controladores Instrumentos que comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura, flujo) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la deviación. 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. Elemento final de control
Es el instrumento que recibe las señales del sistema tomadas por el controlador y las ejecuta directamente sobre la variable controlada.
Instrumentos trasmisores Estos elementos reciben la variable de proceso a través del elemento primario, y la trasmiten a algún lugar remoto. Estos transmiten las variables de proceso en forma de señales proporcionales a esas variables. Características estáticas y dinámicas de los instrumentos (parámetros operativos de los instrumentos) Rango Conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de medida. Spam Es la diferencia algebraica que existe entre el valor más alto y más bajo del rango. Tiempo muerto Es un tipo de retardo donde el instrumento empieza a responder solamente cuando la variable ha cambiado en una magnitud lo suficientemente grande para vencer la inercia
Bibliografía
Creus Solé, Antonio. Instrumentación industrial. 6. ª edición. Barcelona: Alfa Omega, 1998. 755 p.
