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FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E INDUSTRIA 6 TD – FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA
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Vladimir Vásquez Industrial 6 TD Ingeniería Industrial 30/04/2019 Capítulo 1 de Instrumentación Industrial de Antonio Creus
Capítulo 1 Generalidades Introducción Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadores de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc. En todos estos procesos, es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etc. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar. Estos instrumentos han ido liberando al personal de campo de su función de actuación _ sica directa en la planta y, al mismo tiempo, le han permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los instrumentos, ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operario le serían imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual. Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En general, en ambos tipos deben mantenerse las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable. El sistema de control exige pues, para que esta comparación y subsiguiente corrección sean posibles, que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades forma un bucle o lazo que recibe el nombre de lazo de control. El lazo puede ser abierto o bien cerrado En el lazo de control abierto de la Figura el operador ajusta la válvula manual en la forma que cree conveniente para igualar el caudal del líquido de salida con el de entrada. Si los caudales de entrada y salida son muy diferentes con picos de consumo desiguales, al operador le será difícil mantener un nivel constante de modo que tendrá que hacer ajustes con frecuencia. En cambio, en el control de lazo cerrado, una vez ajustada la posición del vástago de la válvula de control con la varilla del índice del flotador, el propio sistema se encargará de mantener el nivel en el punto deseado. Si en algún momento se presentan picos de caudal en la entrada, el nivel aumentará, con lo cual, la válvula de control abrirá para aumentar el caudal de salida y mantener así un nivel controlado, independientemente de la actuación del operador.
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Figura 1 Control de nivel en lazo abierto y lazo cerrado Otro ejemplo de lazo abierto es el calentamiento de agua en un tanque mediante una resistencia eléctrica sumergida. Los procesos con constantes de tiempo importantes o con retardos considerables son adecuados para el control en lazo abierto. La principal desventaja del lazo abierto es la pérdida de exactitud En ocasiones, el control de lazo cerrado debe operar en lazo abierto, tal como puede ocurrir en el arranque de procesos por parte de un operador experimentado e xperimentado con un buen conocimiento del proceso. El operador, en base a su experiencia, abrirá o cerrará el elemento e lemento final de control (válvula de control, etc.) más allá de lo que lo haría un lazo cerrado de control, con lo que conseguirá una mayor velocidad en la variable y alcanzar el punto de consigna en menos tiempo. En ambos casos se observa que existen elementos detenidos como el e lemento de medida, el transmisor, el controlador, el indicador, el registrador y el elemento final.
Figura 2 Lazo cerrado de control de un intercambiador de calor
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Si se desea que el proceso tenga velocidad y exactitud en alcanzar el valor de la variable deseada (punto de consigna) deben aplicarse simultáneamente el control de lazo abierto y el cerrado, lo que constituye el llamado control anticipativo ( feedforward ( feedforward ). ). Este tipo de control utiliza un modelo matemático que actúa inicialmente como un operador experto (lazo abierto) y que de acuerdo con los resultados obtenidos en la variable, realiza correcciones adicionales que corresponden al control de lazo cerrado. Definiciones en control Los instrumentos de control empleados en las industrias de p roceso tales como química, petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc., tienen su propia terminología; los términos empleados definen las características propias de medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados:
Indicadores Registradores Controladores transmisores y válvulas de control.
La terminología empleada se ha unificado con el fin de que los fabricantes, los usuarios y los organismos o entidades que intervienen directa o indirectamente en el campo de la instrumentación industrial empleen el mismo lenguaje. Las definiciones de los términos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por ANSI/ISA-S51.1-1979 (R 1993) aprobadas el 26 de mayo de 1995.
Campo de medida El campo de medida (range) es el espectro o conjunto de valores v alores de la variable medida que están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida , de recepción o de transmisión del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Otro término derivado es el de dinámica de medida o rangeabilidad (rangeability ), ), que es el cociente entre el valor de medida superior e inferior de un instrumento. Por ejemplo, una válvula de control lineal que regule linealmente el caudal desde el 2% hasta el 100% de su carrera tendrá una rangeabilidad de 100/2 = 50.
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Figura 3 Definiciones de los instrumentos Alcance El alcance (span) es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. En los ejemplos anteriores es de 10 bar para el manómetro, de 25 bar para el transmisor de presión y de 200 °C para el instrumento de temperatura.
Error El error de la medida es la de sviación que presentan las medidas prácticas de una variable de proceso con relación a las medidas teóricas o ideales, como resultado de las imperfecciones de los aparatos y de las variables parásitas que afectan al proceso. Es decir: Error = Valor leído en el instrumento - Valor ideal de la variable medida El error absoluto es: Error absoluto = Valor leído - Valor verdadero El error relativo representa la calidad de la medida y es: Error relativo = Error absoluto / Error verdadero Cuando una medición se realiza con la participación de varios instrumentos, colocados unos a continuación de otros, el valor final de la medición estará constituido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos. Si el límite del error relativo de cada instrumento es ± a, ± b, ± c, ± d , etc., el máximo error posible en la medición será la suma de los valores anteriores, es decir:
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+ (a + b + c + d + ...) Ahora bien, como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo tiempo su error máximo en todas las circunstancias de la medida, suele tomarse como error total de una medición la raíz cuadrada de la suma algebraica de los cuadrados de los errores máximos de los instrumentos, e s decir, la expresión:
Por ejemplo, el error obtenido al medir un caudal con un diafragma, un transmisor electrónico de 4-20 mA c.c., un receptor y un integrador electrónicos es de:
Figura 4 Medida de caudal con varios instrumentos Incertidumbre de la medida Cuando se realiza una operación de calibración, se compara el instrumento a calibrar con un aparato patrón para averiguar si el error (diferencia entre el valor leído por el instrumento y el verdadero valor medido con el aparato patrón) se encuentra dentro de los límites dados por el fabricante del instrumento. Como el aparato patrón no permite medir exactamente el valor verdadero (también tiene un error) y como además en la operación de comparación intervienen diversas fuentes de error, no es posible caracterizar la medida por un único valor, lo que da lugar a la llamada incertidumbre de la medida o incertidumbre (uncertainty). (uncertainty). Entre las fuentes de incertidumbre se encuentran:
Influencia de las condiciones ambientales. Lecturas diferentes de instrumentos analógicos realizadas por los operadores. Variaciones en las observaciones repetidas de la medida en condiciones aparentemente idénticas. Valores inexactos de los instrumentos patrón. Muestra del producto no representativa. Por ejemplo, en la medida de tem peratura con un termómetro patrón de vidrio, la masa del bulbo cambia la temperatura de la muestra del proceso cuya temperatura desea medirse.
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Para que la comparación sea correcta, el procedimiento general es que el patrón de medida sea suficiente más preciso que la del aparato que se calibra (relación 4:1 en los sensores de presión - ISA S37.3). Para el cálculo de la incertidumbre pueden seguirse varias normas:
ISO/IEC 17025:2005 General requirements for the competence of testing and calibration laboratories. laboratories. G-ENAC-09 Rev 1 Julio 2005: Guía para la expresión de la incertidumbre en los ensayos cuantitativos. CEA-ENAC-LC/02 Expresión de la Incertidumbre de Medida en las Calibraciones. EAL-R2 Expression of the Uncertainty of Measurement in Calibration , 1995. GUM (Guide (Guide to the expression of uncertainty in measurement ), measurement ), conocida tambíen como ISO/TC 213 N 659.
En el cálculo de la incertidumbre se usa el término mensurando que significa: magnitud particular particular objeto de una medición. Puede ser medido directamente (por ejemplo, la temperatura de un cuerpo con un termómetro) o bien de forma indirecta a par_ r de otras magnitudes relacionadas de forma matemática matemática o funcional (por ejemplo, la medida de la densidad a través de la relación masa/volumen del cuerpo). Hay dos incertidumbres A incertidumbres A y B presentes en la medición. Las A Las A se relacionan con fuentes de error aleatorios y pueden ser evaluadas a par_ r de distribuciones estadísticas estadísticas (lecturas en el instrumento), mientras que las B están asociadas a errores de tipo sistemático y corresponden a la incertidumbre del calibrador, la resolución del instrumento y la influencia de otras magnitudes (temperatura, campos externos, humedad, posición, etc.) que surgen del control de las condiciones de contraste o de la experiencia previa del operador. Una vez obtenidos los valores, tanto de la incertidumbre tipo A como la de tipo B, se procede a calcular la incertidumbre combinada:
Siendo K = Factor de cobertura o de seguridad que se determina de acuerdo con el nivel de confianza de la incertidumbre, dado en la tabla 1.2 (factor T de Student). Con un nivel de confianza del 95,45% y para un número de valores mayor de 20 es K = 2.
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Valores T de Student para diferentes niveles de confianza y grados de libertad
Incertidumbre tipo A. La evaluación de la incertidumbre estándar se efectúa por análisis estadístico de una serie de observaciones independientes de la magnitud de entrada, bajo las mismas condiciones de medida. Si no existen componentes evaluadas estadísticamente la evaluación de tipo A tipo A corresponde a la repetibilidad del instrumento a calibrar. Considerando que la distribución de probabilidades de las medias de dichas variables es la curva de Gauss o de distribución normal en forma de campana, la media a ritmética es el valor estimado de la variable, mientras que la desviación estándar representa el grado de dispersión de los valores de la variable que se miden repetitivamente. Así, en una serie de medidas repetitivas de la variable, el valor estimado x estimado x viene dado por la media aritmética o promedio de los valores observados:
Cuando el número de medidas repetitivas es menor de 10, la desviación tipica debe multiplicarse por un factor multiplicador.
Incertidumbre tipo B. La incertidumbre se determina en base a la información disponible procedente de varias fuentes, tales como: • Datos de medidas anteriores. • Experiencia y conocimiento de los instrumentos. • Especi_ caciones del fabricante. • Valores de incer_ dumbre de manuales técnicos. técnicos.
Exactitud Cualidad de un instrumento de medida a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. La exactitud varía en cada punto del campo de medida sí bien, el fabricante la específica, en todo el margen del instrumento, indicando a veces su valor en algunas zonas de la escala. Por ejemplo: un manómetro puede tener una exactitud de ± 1% en toda la escala y de ± 0,5% en la zona central
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Figura 9 Exactitud y precisión Precisión Tolerancia de medida o de transmisión del instrumento define los límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales. Es la cualidad de un instrumento por la que _ en de a dar lecturas muy próximas unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las mismas. Un instrumento puede tener una pobre exactitud, pero una gran precisión. Por ejemplo, un manómetro de intervalo de medida de 0 a 10 bar, puede tener un error de cero considerable marcando 2 bar sin presión en el proceso y diversas lecturas de 7,049, 7,05, 7,051, 7,052 efectuadas a lo largo del tiempo y en las mismas condiciones de servicio, para una presión del proceso de 5 b ar. La Precisión varía en cada punto del campo de medida.
Zona muerta La zona muerta (dead zone o dead band ) es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que no p roduce su respuesta. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señal de salida de l instrumento, es decir, que no produce su respuesta.
Sensibilidad Es la razón entre el incremento de la señal de salida o de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Por ejemplo, si en un transmisor electrónico de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y la señal de salida de 11,9 a 12,3 mA c.c., la sensibilidad es el cociente:
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Repetibilidad Capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice o de la señal de salida. 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. Otros términos Campo de medida con elevación de cero Campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es mayor que el valor inferior del campo. Campo de medida con supresión de cero Campo de medida en el que el valor cero de la variable o señal medida es menor que el valor inferior del campo. Elevación de cero Cantidad con que el valor cero de la variable supera el valor inferior del campo. Supresión de cero Cantidad con que el valor inferior del campo supera el valor cero de la variable. Deriva Señal de salida que se presenta en un período de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales.
Deriva de cero (variación en la señal de salida para el valor cero de la medida atribuible a cualquier causa interna). Deriva térmica de cero (variación en la señal de salida a medida cero, debida a los efectos únicos de la temperatura).
Fiabilidad Probabilidad de que un instrumento continúe comportándose dentro de límites especificados de error. Resolución Magnitud de los cambios en escalón de la señal de salida. Es también el grado con que el instrumento puede discriminar valores equivalentes de una cantidad. Resolución infinita Capacidad de proporcionar una señal de salida progresiva y continua en todo el campo de trabajo del instrumento. Trazabilidad
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Resultado de las mediciones efectuadas con un instrumento o con un patrón que puede relacionarse con patrones nacionales o internacionales.
Ruido Perturbación eléctrica o señal accidental no deseadas que modifica la transmisión. Linealidad Aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada. Linealidad basada en puntos Linealidad expresada en forma de desviación máxima con relación a una línea recta que pasa a través de los puntos dados correspondientes al cero y al 100 % de la variable medida. Estabilidad Capacidad de un instrumento para mantener su comportamiento durante su vida útil y de almacenamiento especificadas. Temperatura de servicio Campo de temperaturas en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de límites de error especificados. Vida útil de servicio Tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las características características de servicio, más allá de tolerancias especificadas. Reproductibilidad Capacidad de reproducción de un instrumento de las medidas repetitivas de la lectura o señal de salida para el mismo valor de la v ariable medida alcanzado en ambos sentidos. Respuesta frecuencial Variación con la frecuencia de salida/variable medida.
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Clases de instrumentos Se considerarán dos clasificaciones básicas: la primera relacionada con la función del instrumento y la segunda con la variable del proceso.
En función del instrumento instrumento Instrumentos ciegos No tienen indicación visible de la variable.
Los instrumentos indicadores
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Disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable.
Concéntricos Excéntricos
Los instrumentos registradores Registran con trazo continuo o a puntos la variable.
Circulares. Gráfico rectangular. Alargado según sea la forma del gráfico.
Elementos primarios Están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición.
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Transmisores Captan la variable de proceso 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.
Los transductores Reciben una señal de entrada la convierten modificada o no a una señal de salida. Son transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/1 (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP/ P (presión de proceso a señal neumática), etc.
Los convertidores 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.
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Los receptores Reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran
Los controladores Comparan la variable controlada con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación.
El elemento final de control Recibe la señal del controlador y modifica el caudal del fluido o agente de control.
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En función de la variable de proceso Los instrumentos se dividen en instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso específico, humedad y punto de rocío, viscosidad, posición, velocidad, pH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc.
Código de identificación de instrumentos instrumentos Para designar y representar los instrumentos de medición y control se emplean normas muy variadas que a veces varían de industria en industria. Esta gran variedad de normas y sistemas utilizados en las organizaciones industriales indica la necesidad universal de una normalización en este campo.
Resumen Norma ISA-55.1-84 Generalidades A) Cada instrumento debe identificarse con un código alfanumérico o número de tag (tag number) que contenga el número de identificación del lazo. Una identificación representava es la siguiente:
El número de letras funcionales para un instrumento debe ser mínimo, no excediendo de cuatro. C) Los bucles de instrumentos de un proyecto o secciones de un proyecto deben identificarse con una secuencia única de números.
B)
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Resumen Norma ISA-S5.2-76 Esta norma lista los símbolos lógicos que representan operaciones de proceso binarias realizadas por cualquier clase de hardware, sea eléctrico, neumático, hidráulico u otro.
Resumen Norma ISA-SS.3 El objeto de esta norma es documentar los instrumentos formados por ordenadores, controladores programables, miniordenadores y sistemas a microprocesador que disponen de control compartido, visualización compartida y otras características de interfase. Los símbolos representan la interfase con los
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equipos anteriores de la instrumentación de campo, de la instrumentación de la sala de control y de otros tipos de hardware.