Variables de Procesos

Instrumentación industrial

¿Qué es 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. Los instrumentos industriales pueden realizar las siguiente.

Definiciones y conceptos.

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, de la industria cerámica, de las centrales generadores de energía, de la siderurgia, de los tratamientos térmicos, de la industria papelera, de 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, etcétera.

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.

Los procesos industriales a controlar

Pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos, debe mantenerse en general 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 que permite este mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto.

Los instrumentos de control empleados en las industrias de proceso 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.

Terminología en instrumentación

Intervalo de medida (range)

Espectro o conjunto de valores 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. Ejemplo: un manómetro de intervalo de medida 0-10 bar, un transmisor de presión electrónico de 0-25 bar con señal de salida 4-20 ma ó un instrumento de temperatura de 100-300 °c.

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 desviación 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 absoluto error relativo= valor verdadero

Si el proceso está en condiciones de régimen permanente existe el llamado error estático. En condiciones dinámicas el error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen características comunes a los sistemas físicos: absorben energía del proceso y esta transferencia requiere cierto tiempo para ser transmitida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato.

Exactitud (accuracy)

La exactitud, es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida. En otras palabras, es el grado de conformidad de un valor indicado a un valor estándar aceptado o valor ideal, considerando este valor ideal como si fuera el verdadero.

Por ejemplo: un termómetro de 0-150 °c y de ± 1 % de exactitud situado en un baño de temperatura constante a 80 °c, puede ser calibrado a este valor, de modo que su exactitud en este punto de trabajo será la máxima que se pueda obtener con un termómetro patrón.

La precisión

La precisión es la cualidad de un instrumento por la que tiende 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.

Zona muerta (dead zone o dead band)

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 produce su respuesta. Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: en el instrumento de la figura 1.3 es de ± 0,1 %, es decir: 0,1 x 200/100 = ± 0,2 °c.

Sensibilidad (sensitivity)

La sensibilidad (sensitivity) 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 , la sensibilidad es el cociente:

(12,3 -11,9)/ ((20-4)

________________ = ± 0,5 ma c.c/bar

(5,5 - 5) / 10

Repetibilidad:

Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del indice, o 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, recorriendo todo el campo. La repetibilidad es sinónimo de precisión. A mayor repetibilidad menor dispersión de los valores de salida para un valor de la señal de entrada del proceso y,por lo tanto, mayor precisión.

Histéresis (hysteresis)

La histéresis (hysteresis) es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento o la señal de salida 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 tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: si en un termómetro de 0-100 %, para el valor de la variable de 40 °c, la aguja marca 39,9 al subir la temperatura desde 0, e indica 40,1 al bajar la temperatura desde 100 °c, el valor de la histéresis es de:

40,1-39,9

—--------- . 100 = ± 0,2%

100-0

Variable de Composición

Variable de Flujo

Variable de Nivel

Variable de Presión

Control de la Variable de Presión en Entornos Industriales

El control de la presión es esencial en numerosos procesos industriales, desde plantas químicas y refinerías hasta sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). Mantener una presión adecuada asegura la eficiencia, la seguridad y la calidad del proceso.

Aplicaciones del Control de Presión

1. En la Industria Química y Petroquímica:

Mantener la presión adecuada en reactores, columnas de destilación y sistemas de tuberías. Prevenir fugas y explosiones al mantener las condiciones operativas dentro de los límites seguros.

2. En los Sistemas de HVAC:

Controlar la presión del aire en ductos y sistemas de climatización para asegurar el confort y la eficiencia energética. Regular la presión del agua en sistemas de calefacción y refrigeración.

3. Sistemas Hidráulicos y Neumáticos:

Controlar la presión del fluido en sistemas hidráulicos para asegurar la operación correcta de máquinas y herramientas. Mantener la presión del aire en sistemas neumáticos para el funcionamiento eficiente de actuadores y válvulas.

4. Industria Alimentaria y de Bebidas:

Controlar la presión en sistemas de pasteurización, embotellado y distribución de productos ayuda a asegurar la calidad y la seguridad de los alimentos y bebidas procesados.

Instrumentos Comunes para Medición de Presión

En la industria, se utilizan varios tipos de instrumentos para medir la presión. Los más comunes son:

• Manómetros: Son instrumentos que miden la presión en relación con la presión atmosférica. Pueden ser analógicos o digitales.

• Manómetro de Bourdon: Utiliza un tubo de Bourdon que se deforma con la presión, moviendo una aguja en una escala.

• Manómetro de Columna de Líquido: Usa una columna de líquido como mercurio o agua, donde la altura del líquido indica la presión.

• Transductores de Presión: Convertidores que transforman la presión física en una señal eléctrica. Son utilizados en sistemas de control automatizados.

• Transductores Piezoresistivos: Basados en la variación de la resistencia eléctrica de un material piezoresistivo.

• Transductores Capacitivos: Miden la presión mediante cambios en la capacitancia de un condensador.

• Interruptores de Presión: Dispositivos que activan o desactivan un circuito eléctrico cuando se alcanza una presión preestablecida.

Lazo de Control de Procesos de Presión

El control de procesos de presión es crucial para mantener las condiciones operativas dentro de los límites deseados. Un lazo de control típico consta de los siguientes componentes:

• Sensor de Presión: Detecta la presión actual del proceso y convierte esta medición en una señal eléctrica.

• Controlador: Recibe la señal del sensor, la compara con el valor de referencia (setpoint) y determina la acción correctiva necesaria.

• Actuador: Ejecuta la acción correctiva determinada por el controlador. Puede ser una válvula de control, un compresor, una bomba, etc.

• Proceso: Es la parte del sistema donde se lleva a cabo la operación industrial, cuya presión se desea controlar.

Funcionamiento del Lazo de Control

• Medición: El sensor de presión mide la presión actual del proceso y envía una señal al controlador.

• Comparación: El controlador compara la señal medida con el setpoint para determinar el error (la diferencia entre la presión medida y la deseada).

• Acción Correctiva: Basado en el error, el controlador envía una señal al actuador para ajustar la presión. Por ejemplo, si la presión es demasiado alta, el controlador puede abrir una válvula para liberar presión.

• Ajuste y Estabilización: El actuador ajusta la presión del proceso, y el sensor de presión continúa monitoreando la presión para asegurarse de que se mantenga dentro del rango deseado.

Variable de Temperatura

Control de temperatura en entornos industriales.

El control de la temperatura en entornos industriales es crucial para mantener la calidad, la seguridad y la eficiencia del producto.

El proceso implica medir la temperatura de un proceso o ambiente, compararla con un punto de ajuste deseado y realizar ajustes para llevar la temperatura real al punto de ajuste. Normalmente, esto se logra mediante un circuito de control de temperatura.

Componentes de un circuito de control de temperatura.

Un circuito de control de temperatura típico consta de los siguientes componentes:

1. Sensor de temperatura : Mide la temperatura actual.

2. Transmisor : Convierte la señal del sensor a un formato estandarizado.

3. Controlador : Compara la temperatura medida con el punto de ajuste y determina el ajuste necesario.

4. Actuador : Implementa los ajustes del controlador modificando el proceso (por ejemplo, abriendo una válvula, encendiendo un calentador).

5. Proceso : El sistema o entorno que se controla.

Implementar una buena estrategia de control.

La implementación de un sistema de control de temperatura eficaz implica seleccionar sensores apropiados, diseñar una estrategia de control sólida, ajustar los parámetros de control y abordar los desafíos ambientales y operativos.

Al comprender los componentes y principios de un circuito de control de temperatura, las industrias pueden lograr una regulación de temperatura precisa y confiable, mejorando la eficiencia del proceso y la calidad del producto.

Pasos para implementar el control de temperatura

1. Selección de sensores de temperatura

• Tipos de sensores : termopares, RTD (detectores de temperatura de resistencia), termistores, sensores infrarrojos.

• Consideraciones : alcance, precisión, tiempo de respuesta y condiciones ambientales.

2. Señal Transmisión

• Transmisores : convierten la salida del sensor (que puede ser milivoltios para termopares o resistencia para RTD) en una señal estándar (por ejemplo, 4-20 mA, 0-10 V).

• Acondicionamiento de señales : filtrado, amplificación y conversión de señales para eliminar el ruido y mejorar la precisión.

3. Estrategia de control de temperatura

• Control de encendido/apagado : forma más simple, enciende o apaga completamente el actuador. Adecuado para sistemas donde está el control preciso no crítico .

• Control Proporcional (P) : La salida del actuador es proporcional al error (diferencia entre el punto de ajuste y la temperatura medida).

• Control proporcional-integral-derivativo (PID) : combina controles proporcionales, integrales y derivativos para proporcionar un control de temperatura preciso y estable. El término integral corrige errores pasados y el término derivativo predice errores futuros.

4. Algoritmo de control Afinación

• Ganancia proporcional (P) : determina la reacción al error actual.

• Ganancia integral (I) : Determina la reacción en función de la suma de errores pasados.

• Ganancia derivada (D) : determina la reacción en función de la tasa de cambio del error.

• Métodos de sintonización : Ziegler-Nichols, Cohen-Coon, prueba y error.

5. Actuación y Proceso Ajustamiento

• Tipos de Actuadores : Válvulas, calentadores, enfriadores, amortiguadores.

• Métodos de control : Modulante (control continuo) o discreto (encendido/apagado).