INSTITUTO TECNOLOGICO DE ROQUE

Sensado y Automatizacion de Procesos I

Ingenierıa en Tecnologıas de la Informatica y las

Comunicaciones

Departamento Sistemas de Computacionales

Preparado por: Jose Heriberto Rodrıguez Estrada

2015

Indice

1. Conceptos fundamentales 31.1. Definiciones y conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2. Clasificacion de los instrumentos . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3. Simbologıa, normas y sistemas de unidades . . . . . . . . . . 81.4. Principios generales para la seleccion de instrumentos . . . . 8

2. Sensores y transmisores 82.1. Medicion de presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2. Medicion de nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3. Medicion de flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.4. Medicion de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5. Medicion de otras variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.6. procedimiento para la calibracion . . . . . . . . . . . . . . . . 102.7. Acondicionamiento de senal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3. Controladores 103.1. Aplicaciones de lazo abierto y de lazo cerrado . . . . . . . . . 103.2. Modos de control aplicados en instruemntacion . . . . . . . . 10

3.2.1. On Off con histeresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.2. Proporcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.3. Proporcional Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.4. Proporcional Derivativo . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2.5. Proporcional Integral Derivativo . . . . . . . . . . . . 103.2.6. Sintonizacion de controladores . . . . . . . . . . . . . 10

4. Actuadores 104.1. Actuadores electricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2. Actuadores neumaticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.3. Actuadores hidraulicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.4. Tipos de valvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.5. Otros tipos de actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1. Conceptos fundamentales

Intoduccion:

Los procesos industriales exigen el control de alguna o varias variablesfısicas en la fabricacion de diversos productos.

Un sistema de control es aquel que compara el valor actual de la varia-ble a controlar contra un valor deseado y toma una accion de correccion deacuerdo con la desviacion existente.

A un sistema de control tambien se le conoce como: lazo de control, buclede control o loop de control. Existen dos tipos de lazo de control:

Lazo abierto. Este tipo de lazo tiene las siguientes caracteristicas:

• Carece de retoalimentacion

• Es simple es su diseno e implementacion

• No establece un control muy preciso de la variable

Lazo cerrado. Este tipo de lazo se distingue por:

• Tiene retoalimentacion

• Es mas complicado en su diseno e implementacon

• Es capaz de establecer un control bastante preciso de la variable.

Fin clase 1

1.1. Definiciones y conceptos

Los instrumentos de control utilizados en la industria tienen su propiaterminologıa; los terminos empleados definen las caracteristicas propias demedida y control de los diversos instrumentos utilizados como lo son: indica-dores, regristradores controladores, transmisores etc. Para que la termologıasea uniforme para la gente relacionada con la instrumentacion se utilizan loslineamientos dados por la SAMA Scientific Apparatus Makers Associationen su norma PMC 20-2-1970. Algunos de ellos son:

Campo de medida (range). Espectro o conjunto de valores que estancomprendidos dentro de los lımites superior e inferior de la capacidad demedida o de transmision del instrumento; se expresa por los dos valores ex-tremos, por ejemplo 100 − 300◦ C.

Dinamica de medida o rangeabilidad (rangeability). Es el cociente entreel valor de medida superior e inferior del instrumento, para el ejemplo ante-rior 100/300 = 3.

Alcance (span). Es la diferencia algebraica entre los valores suoeriore inferior del campo de medida del instrumento, para el ejemplo anterior elalcance es 200◦ C.

Error. Es la diferencia algebraica entre el valor leıdo o transmitido porel instrumento y el valos real. Dependiendo de las condiciones del proceso,el error se puede clasificar como:

Error estatico. Se presenta cuando el proceso esta en regimen perma-nente.

Error dinamico. Se presenta cuando el proceso esta en condicionesdinamicas debido a que los instrumentos absorben energıa del procesoy esta transferencia requiere cierto tiempo.

Error medio. Es la media aritmetica de los errores determinados encada punto de la medida.

Cuando la medicion se realiza con la participacion de varios instrumen-tos, entonces el valor final de la medicion del error se obtiene con los erroresinherentes de cada uno de los instrumentos a±b±c±d, de la forma siguiente:

±√a2 + b2 + c2 + d2 (1)

Incertidumbre de la medida (uncertainty). Los errores que existennecesariamente al realizar la medida de una magnitud, hacen que se tengauna incertidumnbre sobre el verdadero valor de la medida. La incertidumbrees la dispersion de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente alverdadero valor de la magnitud de la medida. Cuando se trata de obtenerla incertidumbre a partir de una sola medicion se hace mediante:

i = Kσ (2)

donde:K es un factor que depende del nivel de confianza (K = 2 para 95 %)σ es la desviacion tıpica del instrumento dada por el fabricante

Exactitud. Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tien-de a dar lecturas proximas al verdadero valor de la magnitud dada.

Precision (accuracy). Es la tolerancia de medida o de transmision delinstrumento (intervalo donde es admisible que se situe la magnitud de la me-dida) , y define los lımites de los errores cometidos cuando el instrumento seemplea en condiciones normales de servicio durante un periodo determinado.

Zona muerta (dead zone / dead band). Es el campo de valores de lavariable que no hace variar la indicacion o la senal de salida del instrumento,es decir, no produce respuesta.

Sensibilidad (sensitivity). Es la razon del incremento de la lecturay de la variable que lo ocasiona, despues de haber alcanzado el estado dereposo.

Repetibilidad (repeatibility). Es la capacidad de reproduccion de lasposiciones de la pluma o del ındice o de la salida del instrumento al medirrepetidamente valores identicos de lal variable en la mismas condiciones deservicio y en el mismo sentido de variacion, recorriendo todo el campo.

√∑(xi − x)2

N(3)

Histeresis (hysteresis). Es la diferencia maxima que se observa en losvalores indicados por el ındice o la pluma del instrumento para el mismovalor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda laescala en los dos sentidos ascendente y descendente.

Fin clase 2

1.2. Clasificacion de los instrumentos

Existen diversas formas de clasificar los instrumentos en base a diferen-te criterio, para este estudio unicamente se consideraran dos clasificacionesbasicas: la primera relacionada con la funcion del instrumento y la segundacon la variable del proceso.

Clasificacion en funcion del instrumento:

Instrumento ciego. No tienen indicacion visible de la variable. General-mente son ciegos los instrumentos de alarma como presostatos y ter-mostatos solo poseen una escala exterior con ındice de seleccion paraajustar el punto de disparo del interruptor. Tambien hay transmisoresde caudal, presion nivel y temperatura sin indicacion.

Instrumento indicadores. Disponen de un ındice y una escala en elque pueda leerse el valor de la variable. Tambien existen indicadoresdigitales que muestran el valor de la variable en forma numerica.

Instrumento registradores. Registran con trazo continuo o a puntos lavariable pueden ser de grafico circular o de grafico rectangular.

Elementos primarios. estan en contacto con la variable y utilizan o ab-sorben la energıa del medio controlado para dar al sistema de medicionuna indicacion en respuesta a la variacion de la variable controlada.El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio depresion, fuerza, posicion, medida elecectrica, etc. Por ejemplo en elostermopar se presenta una variacion de una fuerza electromotriz.

Transmisores. captan la variable del proceso a traves del elementoprimario y la transmiten a distancia en forma de una senal neumaticade 3 a 15 PSI o electronica de 4 a 20 mA. En algunos casos, el elementoprimario puede formar parte de trasnmisor.

Transductores. reciben na senal de entrada en funcion de una o mascantidades fısicas y la convierten, modificada o no, a una senal desalida. Son transductores, un rele, un elemento primario, un elementoprimario, un transmisor.

Convertidores. son instrumentos que reciben una senal de entradaneumatica (3-15 PSI)o electronica (4-20 ma)procedente de un instru-mento y, despues de modificarla, envıanla resultante en forma de unasenal de salida estandar. Por ejemplo un convertidor P/I.

Receptores.reciben las senales procedentes de los transmisores y lasindican o registran. Los receptores envıan otra senal de salida estandarque gobierna el elemento final de control.

Controladores.comparan la variable controlada (presion, nivel, tem-peratura) con un valor deseado y realizan una accion correctiva deacuerdo con la desviacion.

Elemento final de control. Recibe la senal del controlador y modificael cauda del fuido o agente de control. este elemento puede ser unavalvula neumatica o un servomotor que efectuan su carrera completaen funcion de la senal estandar

Clasificasion en funcion de la variable.De acuerdo con a variable del proceso los instrumentoso se dividen en instru-mentos de caudal, nivel, presion, velocidad, pH, conductividad, frecuencia,etc.

Esta clasificacion corresponde especıficamente al tipo de las senales me-didas independientemente del sistema empleado en la conversion de la senalde proceso. Un termistor es un instrumento de tempeatura y un RTD es,tambien, un instrumento de temperatura. Por otra parte un registrador po-tenciometrico puede ser un instrumento de temperatura, conductividad ovelocidad dependiendo del tipo de elemento primario que tenga asociado.

Para designar y representar a los instrumentos de control se empleannormas muy variadas. Para contar con un anormalizacion la Sociedad deInstrumentos de Estados Unidos, ISA, creo normas de aplicacion que seusan en la mayorıa de las industrias. Las dos mas destacadas son:

Norma ISA-S5.1-84 para instrumentaci”on de madicion y control

Norma ISA-S5.2-76 sobre sımbolos de operaciones binarias en procesos

Norma ISA-S5.3 sobre simbolo de sistemas de microprocesadores ycontrol compartido.

Resumen de la norma Norma ISA-S5.1-8

Generalidades:

Cada instrumento debe identificarse con un sistema de letras que loclasifique funcionalmente.

El numero de letras para un instrumento de ser mınimo, no excediendode cuatro letras. Para ello conviene:

1.3. Simbologıa, normas y sistemas de unidades

1.4. Principios generales para la seleccion de instrumentos

2. Sensores y transmisores

Los transmisores son instrumentos que captan la variable del proceso yla transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador,controlador o una combinacion de estos.

Existen varios tipos de senales de transmision:

Neumaticas

Electronicas

Hidraulica

Telemetricas

Las tres primeras son las mas empleadas en ela industria, las senaleshidraulicas se utilizan en caso de que requiera una gran potencia y las sealestelemeticas cuando existen distancias de varios kilometros entre transmisory receptor.

Los transmisores neumaticos generan una senal de aire a presion que va-ria linealmente entre 3 y 15 psi (libras por pulgada cuadrada)asociada a uncampo de medida de 0-100 %. Esta senale sta normalizada por la SAMA esusada por los fabricantes de transmisores y controladores de Estados Unidos.

En los paises donde se usa el sistema internacional de unidades se empleala senal 0.2 a 1 bar (1 bar = 1.02 kg/cm2)que es equivalente a la senal de 3a 15 psi.

Los transmisores electronicos generan una senal estandar de 4 a 20 mAc.c., a distancias de 200 m a 1 Km segun el tipo de transmisor. La senalelectrıca de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compormiso entre ladistancia de transmision y la robustez del equipo. Al ser una senal continuaelimina la posibilidad de perturbaciones, esta libre de corrientes parasitas yemplea dos hilos que no precisan blindaje.

La relacion de 4 a 20 es la misma

2.1. Medicion de presion

2.2. Medicion de nivel

2.3. Medicion de flujo

2.4. Medicion de temperatura

2.5. Medicion de otras variables

2.6. procedimiento para la calibracion

2.7. Acondicionamiento de senal

3. Controladores

3.1. Aplicaciones de lazo abierto y de lazo cerrado

3.2. Modos de control aplicados en instruemntacion

3.2.1. On Off con histeresis

3.2.2. Proporcional

3.2.3. Proporcional Integral

3.2.4. Proporcional Derivativo

3.2.5. Proporcional Integral Derivativo

3.2.6. Sintonizacion de controladores

4. Actuadores

4.1. Actuadores electricos

4.2. Actuadores neumaticos

4.3. Actuadores hidraulicos

4.4. Tipos de valvulas

4.5. Otros tipos de actuadores