1. 1. www.FreeLibros.me
2. 2. ii www.FreeLibros.me
3. 3. i 8 EDICIN INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL www.FreeLibros.me
4. 4. ii www.FreeLibros.me
5. 5. iii 8 EDICIN INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL Antonio Creus Sol www.FreeLibros.me
6. 6. iv Instrumentacin industrial Antonio Creus Sol ISBN: 978-84-267-1668-2, edicin en espaol publicada por MARCOMBO, S.A., Barcelona, Espaa Derechos reservados MARCOMBO, S.A. Octava edicin: Alfaomega Grupo Editor, Mxico, septiembre 2010 2011 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Pitgoras 1139, Col. Del Valle, 03100, Mxico D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317 Pg. Web: http://www.alfaomega.com.mx E-mail: atencionalcliente@alfaomega.com.mx ISBN: 978-607-707-042-9 Derechos reservados: Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicacin en lengua espaola han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproduccin parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright. Nota importante: La informacin contenida en esta obra tiene un fin exclusivamente didctico y, por lo tanto, no est previsto su aprovechamiento a nivel profesional o industrial. Las indicaciones tcnicas y programas incluidos, han sido elaborados con gran cuidado por el autor y reproducidos bajo estrictas normas de control. ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de C.V. no ser jurdicamente responsable por: errores u omisiones; daos y perjuicios que se pudieran atribuir al uso de la informacin comprendida en este libro, ni por la utilizacin indebida que pudiera drsele. Edicin autorizada para venta en Mxico y todo el continente americano. Impreso en Mxico. Printed in Mexico. Empresas del grupo: Mxico: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Pitgoras 1139, Col. Del Valle, Mxico, D.F. C.P. 03100. Tel.: (52-55) 5089-7740 Fax: (52-55) 5575-2420 / 2490. Sin costo: 01-800-020-4396 E-mail: atencionalcliente@alfaomega.com.mx Colombia: Alfaomega Colombiana S.A. Carrera 15 No. 64 A 29 PBX (57-1) 2100122, Bogot, Colombia, Fax: (57-1) 6068648 E-mail: scliente@alfaomega.com.co Chile: Alfaomega Grupo Editor, S.A. General del Canto 370-Providencia, Santiago, Chile Tel.: (56-2) 235-4248 Fax: (56-2) 235-5786 E-mail: agechile@alfaomega.cl Argentina: Alfaomega Grupo Editor Argentino, S.A. Paraguay 1307 P.B. 11, Buenos Aires, Argentina, C.P. 1057 Tel.: (54-11) 4811-7183 / 8352, E-mail: ventas@alfaomegaeditor.com.ar Datos catalogrficos Creus, Antonio Instrumentacin industrial Octava Edicin Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., Mxico ISBN: 978-607-707-042-9 Formato: 17 x 23 cm Pginas: 792 www.FreeLibros.me
7. 7. v ndice analtico 1. Generalidades.................................................................................... 1 1.1 Introduccin...................................................................................................................1 1.2 Deniciones en control ................................................................................................3 1.2.1 Campo de medida .................................................................................................................... 4 1.2.2 Alcance....................................................................................................................................... 4 1.2.3 Error........................................................................................................................................... 5 1.2.4 Incertidumbre de la medida.................................................................................................... 6 1.2.5 Exactitud.................................................................................................................................. 14 1.2.6 Precisin .................................................................................................................................. 16 1.2.7 Zona muerta............................................................................................................................ 16 1.2.8 Sensibilidad.............................................................................................................................. 16 1.2.9 Repetibilidad............................................................................................................................ 16 1.2.10 Histresis................................................................................................................................ 17 1.2.11 Otros trminos ..................................................................................................................... 18 1.2.12 Ejemplos generales de caractersticas de instrumentos.................................................. 20 1.3 Clases de instrumentos...............................................................................................21 1.3.1 En funcin del instrumento.................................................................................................. 22 1.3.2 En funcin de la variable de proceso.................................................................................. 26 1.3.3 Cdigo de identicacin de los instrumentos.................................................................... 26 2. Transmisores................................................................................... 63 2.1 Generalidades ..............................................................................................................63 2.2 Transmisores neumticos...........................................................................................64 2.3 Transmisores electrnicos..........................................................................................65 2.4 Transmisores digitales.................................................................................................66 2.4.1 Transmisor inteligente capacitivo......................................................................................... 67 2.4.2 Transmisor inteligente piezoresistivo .................................................................................. 67 2.4.3 Ventajas e inconvenientes...................................................................................................... 68 2.5 Transmisin de seales por radio..............................................................................71 2.6 Comunicaciones ..........................................................................................................72 2.6.1 Protocolos serie ...................................................................................................................... 72 2.6.2 Protocolos hbridos................................................................................................................ 74 2.6.3 Protocolos abiertos ................................................................................................................ 76 2.7 Tabla comparativa de transmisores...........................................................................88 3. Medidas de presin ......................................................................91 3.1 Unidades y clases de presin......................................................................................91 3.2 Elementos mecnicos .................................................................................................92 .... www.FreeLibros.me
8. 8. vi 3.3 Elementos electromecnicos......................................................................................96 3.4 Elementos electrnicos de vaco............................................................................ 100 4. Medidas de caudal .........................................................................105 4.1 Medidores volumtricos .......................................................................................... 106 4.1.1 Instrumentos de presin diferencial..................................................................................106 4.1.2 rea variable (rotmetros)...................................................................................................143 4.1.3 Velocidad................................................................................................................................153 4.1.4 Fuerza (medidor de placa)...................................................................................................161 4.1.5 Tensin inducida (medidor magntico).............................................................................162 4.1.6 Desplazamiento positivo.....................................................................................................175 4.1.7 Remolino y vrtex................................................................................................................179 4.2 Medidores de caudal masa....................................................................................... 182 4.2.1 Medidores volumtricos compensados.............................................................................182 4.2.2 Medidores trmicos de caudal............................................................................................185 4.2.3 Anemmetro de hilo caliente .............................................................................................186 4.2.4 Medidor de Coriolis .............................................................................................................189 4.3 Comparacin de caractersticas de los medidores de caudal.............................. 193 5. Medicin de nivel...........................................................................195 5.1 Medidores de nivel de lquidos .............................................................................. 195 5.1.1 Instrumentos de medida directa.........................................................................................196 5.1.2 Instrumentos basados en la presin hidrosttica.............................................................200 5.1.3 Instrumento basado en el desplazamiento ......................................................................208 5.1.4 Instrumentos basados en caractersticas elctricas del lquido......................................211 5.1.5 Medidor de nivel de ultrasonidos.......................................................................................215 5.1.6 Medidor de nivel de radar o microondas .........................................................................217 5.1.7 Medidor de nivel de radiacin ............................................................................................220 5.1.8 Medidor de nivel lser .........................................................................................................223 5.1.9 Otros fenmenos..................................................................................................................224 5.1.10 Medidor msico de nivel ...................................................................................................225 5.2 Medidores de nivel de slidos................................................................................. 226 5.2.1 Detectores de nivel de punto jo.......................................................................................228 5.2.2 Detectores de nivel continuos ............................................................................................230 6. Medida de temperaturas................................................................235 6.1 Introduccin.............................................................................................................. 235 6.2 Termmetro de vidrio.............................................................................................. 236 6.3 Termmetro bimetlico........................................................................................... 236 6.4 Termmetros de bulbo y capilar ............................................................................ 237 6.5 Termmetros de resistencia ................................................................................... 240 6.6 Termistores................................................................................................................ 251 6.7 Sensores de temperatura de semiconductor......................................................... 253 6.8 Termopares ............................................................................................................... 254 www.FreeLibros.me
9. 9. vii 6.8.1 Leyes, curvas y tablas caractersticas, tubos de proteccin y su seleccin...................254 6.8.2 Compensacin de la unin fra...........................................................................................294 6.8.3 Circuitos galvanomtrico, potencimetrico y digital.......................................................295 6.8.4 Vericacin de un instrumento y de un termopar ..........................................................297 6.8.5 Normas tcnicas ..................................................................................................................298 6.9 Pirmetros de radiacin .......................................................................................... 299 6.9.1 Pirmetros pticos de desaparicin de lamento ...........................................................302 6.9.2 Pirmetro de infrarrojos......................................................................................................302 6.9.3 Pirmetro fotoelctrico ......................................................................................................303 6.9.4 Pirmetro de dos colores ....................................................................................................305 6.9.5 Pirmetro de radiacin total...............................................................................................306 6.9.6 Otros fenmenos ................................................................................................................309 6.10 Velocidad de respuesta de los instrumentos de temperatura........................... 310 6.11 Tabla comparativa de caractersticas.................................................................... 314 7. Otras variables................................................................................317 7.1 Variables fsicas ......................................................................................................... 317 7.1.1 Peso.........................................................................................................................................317 7.1.2 Velocidad................................................................................................................................323 7.1.3 Densidad y peso especco.................................................................................................326 7.1.4 Humedad y punto de roco.................................................................................................338 7.1.5 Viscosidad y consistencia ....................................................................................................351 7.1.6 Llama......................................................................................................................................359 7.1.7 Oxgeno disuelto...................................................................................................................364 7.1.8 Turbidez.................................................................................................................................366 7.1.9 Intensidad de radiacin solar..............................................................................................367 7.2 Variables qumicas .................................................................................................... 368 7.2.1 Conductividad en medio lquido........................................................................................368 7.2.2 pH...........................................................................................................................................370 7.2.3 Redox (potencial de oxidacin-reduccin) .......................................................................374 7.2.4 Concentracin de gases.......................................................................................................376 8. Elementos nales de control .........................................................381 8.1 Vlvulas de control................................................................................................... 381 8.1.1 Generalidades........................................................................................................................381 8.1.2 Tipos de vlvulas ..................................................................................................................382 8.1.3 Cuerpo de la vlvula.............................................................................................................388 8.1.4 Tapa de la vlvula o casquete..............................................................................................390 8.1.5 Partes internas de la vlvula. Obturador y asientos.........................................................395 8.1.6 Corrosin y erosin en las vlvulas. Materiales ...............................................................396 8.1.7 Caractersticas de la vlvula.................................................................................................402 8.1.8 Servomotores........................................................................................................................414 8.1.9 Accesorios..............................................................................................................................435 8.1.10 Vlvula inteligente..............................................................................................................446 www.FreeLibros.me
10. 10. viii 8.1.11 Dimensionamiento de la vlvula. Coecientes Cv y Kv .............................................447 8.1.12 Ruido en las vlvulas de control.......................................................................................485 8.2 Otros elementos nales de control........................................................................ 493 8.2.1 Recticadores controlados de silicio .................................................................................493 8.2.2 Bombas dosicadoras..........................................................................................................496 8.2.3 Actuadores de velocidad variable.......................................................................................497 8.2.4 Elementos nales varios .....................................................................................................497 9. Regulacin automtica ..................................................................499 9.1 Introduccin.............................................................................................................. 499 9.2 Caractersticas del proceso ...................................................................................... 499 9.3 Tipos de control........................................................................................................ 504 9.3.1 Control todo-nada................................................................................................................504 9.3.2 Control otante ...................................................................................................................506 9.3.3 Control proporcional de tiempo variable ........................................................................506 9.3.4 Control proporcional ..........................................................................................................507 9.3.5 Control proporcional + integral.........................................................................................510 9.3.6 Control proporcional + derivado.......................................................................................512 9.3.7 Control proporcional + integral + derivado....................................................................514 9.4 Controladores neumticos ...................................................................................... 515 9.5 Controladores electrnicos ..................................................................................... 516 9.5.1 Controlador todo-nada........................................................................................................517 9.5.2 Control proporcional de tiempo variable .........................................................................518 9.5.3 Control proporcional...........................................................................................................518 9.5.4 Control proporcional + integral.........................................................................................519 9.5.5 Control proporcional + derivado.......................................................................................520 9.5.6 Control proporcional + integral + derivado....................................................................521 9.6 Controladores digitales ............................................................................................ 522 9.6.1 Componentes........................................................................................................................522 9.6.2 Algoritmos.............................................................................................................................524 9.6.3 Controlador digital universal...............................................................................................527 9.7 Seleccin del sistema de control ............................................................................ 529 9.8 Criterios de estabilidad en el control .................................................................... 530 9.9 Mtodos de ajuste de controladores...................................................................... 532 9.10 Otros tipos de control ........................................................................................... 545 9.10.1 Generalidades......................................................................................................................545 9.10.2 Control en cascada ............................................................................................................546 9.10.3 Programadores....................................................................................................................550 9.10.4 Control de relacin.............................................................................................................551 9.10.5 Control anticipativo ...........................................................................................................552 9.10.6 Control de gama partida ...................................................................................................555 9.10.7 Control selectivo.................................................................................................................556 9.10.8 Control de procesos discontinuos ...................................................................................557 9.10.9 Controladores no lineales .................................................................................................559 www.FreeLibros.me
11. 11. ix 9.10.10 Instrumentos auxiliares ...................................................................................................561 9.11 Seguridad intrnseca y funcional........................................................................... 563 9.11.1 Introduccin........................................................................................................................563 9.11.2 Nivel de energa de seguridad y mecanismos de la ignicin ........................................564 9.11.3 Clasicaciones de reas peligrosas...................................................................................567 9.11.4 Normas ...............................................................................................................................568 9.11.5 Barreras Zener ...................................................................................................................569 9.11.6 Barreras galvnicas ............................................................................................................571 9.11.7 Factores de seguridad .......................................................................................................571 9.11.8 Seguridad funcional de los instrumentos........................................................................572 9.12 Control por ordenador ......................................................................................... 576 9.12.1 Generalidades......................................................................................................................576 9.12.2 Control DDC .....................................................................................................................579 9.12.3 Control supervisor (SPC)..................................................................................................581 9.12.4 Control distribuido (DCS) ................................................................................................583 9.13 Sistemas de control avanzado............................................................................... 590 9.13.1 Generalidades......................................................................................................................590 9.13.2 Correctores..........................................................................................................................595 9.13.3 Control robusto..................................................................................................................597 9.13.4 Control linealizador global ...............................................................................................598 9.13.5 Control estadstico del proceso (SPC).............................................................................599 9.13.6 Control multivariable ........................................................................................................602 9.13.7 Control ptimo...................................................................................................................603 9.13.8 Control adaptativo..............................................................................................................606 9.13.9 Control predictivo..............................................................................................................610 9.13.10 Sistemas expertos ............................................................................................................613 9.13.11 Control por redes neuronales.........................................................................................615 9.13.12 Control por lgica difusa ................................................................................................619 9.14 Control integrado ................................................................................................... 623 9.14.1 Generalidades......................................................................................................................623 9.14.2 Sistema de control bsico, control distribuido y control avanzado............................625 9.14.3 Gestin de alarmas.............................................................................................................627 9.14.4 Sistema de gestin de laboratorio....................................................................................628 9.14.5 Sistema de gestin de la produccin ...............................................................................629 9.14.6 Red de comunicaciones.....................................................................................................629 9.14.7 Sistema de gestin de seguridad de la planta .................................................................633 9.14.8 Sistema de gestin de la calidad (ISO 9000:2000).........................................................634 9.14.9 Estndar OPC de intercambio de datos de proceso.....................................................636 9.14.10 Gestin de calibraciones .................................................................................................638 10. Calibracin de los instrumentos ..................................................643 10.1 Generalidades.......................................................................................................... 643 10.2 Errores de los instrumentos. Procedimiento general de calibracin.............. 644 10.3 Calibracin de instrumentos de presin, caudal y nivel ................................... 647 www.FreeLibros.me
12. 12. x 10.3.1 Presin .................................................................................................................................647 10.3.2 Caudal...................................................................................................................................650 10.3.3 Nivel .....................................................................................................................................652 10.4 Calibracin de instrumentos de temperatura..................................................... 653 10.4.1 Pirmetros de radiacin ....................................................................................................656 10.4.2 Transmisores de temperatura inteligentes ......................................................................656 10.4.3 Calibradores universales de temperatura ........................................................................657 10.5 Calibracin de vlvulas de control....................................................................... 657 10.6 Calibracin de instrumentos digitales.................................................................. 660 10.6.1 Controlador universal o multifuncin.............................................................................660 10.6.2 Resto de instrumentos de la planta..................................................................................661 10.7 Mantenimiento de instrumentos.......................................................................... 662 10.8 Normativa de calidad ISO 9000:2000 aplicada a la instrumentacin............. 666 10.8.1 ISO 9001..............................................................................................................................667 11. Aplicaciones en la industria. Esquemas tpicos de control .........671 11.1 Generalidades.......................................................................................................... 671 11.2 Calderas de vapor ................................................................................................... 671 11.2.1 Generalidades......................................................................................................................671 11.2.2 Control de combustin......................................................................................................672 11.2.3 Control de nivel..................................................................................................................675 11.2.4 Seguridad de llama .............................................................................................................677 11.3 Secaderos y evaporadores .................................................................................... 678 11.4 Horno tnel ............................................................................................................ 680 11.5 Columnas de destilacin ....................................................................................... 681 11.6 Intercambiadores de calor .................................................................................... 683 11.7 Control del reactor en una central nuclear ........................................................ 685 Apndice A. Anlisis dinmico de los instrumentos.........................689 A.1 Generalidades .......................................................................................................... 689 A.2 Funciones elementales de excitacin.................................................................... 695 A.2.1 Escaln unidad u(t) ............................................................................................................695 A.2.2 Impulso unidad....................................................................................................................695 A.2.3 Respuesta impulsional.........................................................................................................695 A.2.4 Respuesta indicial ................................................................................................................696 A.2.5 Respuesta ante una entrada en rampa ..............................................................................696 A.2.6 Respuesta ante una entrada senoidal ................................................................................698 A.3 Anlisis dinmico de los transmisores ................................................................. 702 A.3.1 Elementos fundamentales..................................................................................................702 A.3.2 Diagrama de bloques, diagrama de Bode y funcin de transferencia de un transmisor .........................................................................................702 A.4 Anlisis dinmico de los controladores ............................................................... 705 A.4.1 Introduccin ........................................................................................................................705 www.FreeLibros.me
13. 13. xi A.4.2 Accin proporcional ..........................................................................................................706 A.4.3 Accin proporcional + integral.........................................................................................711 A.4.4 Accin proporcional + derivada .......................................................................................713 A.4.5 Accin proporcional + integral + derivada.....................................................................715 A.4.6 Control PID en el diagrama de Nyquist..........................................................................718 A.4.7 Ensayo de controladores ...................................................................................................719 A.5 Iniciacin a la optimizacin de procesos ............................................................ 722 A.5.1 Generalidades ......................................................................................................................722 A.5.2 Anlisis experimental del proceso ....................................................................................722 A.5.3 Estabilidad ...........................................................................................................................724 A.5.4 Criterios de ajuste en el diagrama de Bode......................................................................725 A.5.5 Criterios de ajuste en el diagrama de Nyquist.................................................................729 A.5.6 baco de Nichols y curva de desviacin ........................................................................736 Apndice B. Evolucin de la instrumentacin..................................741 B.1 Inicios - Instrumentos locales y neumticos........................................................ 741 B.2 Instrumentos electrnicos - Convencionales y de alta densidad ...................... 742 B.3 Computadores .......................................................................................................... 744 B.4 Control distribuido................................................................................................... 746 B.5 Control avanzado y transmisores inteligentes...................................................... 748 B.6 Ergonoma................................................................................................................. 748 B.7 Comunicaciones ....................................................................................................... 749 B.8 Futuro ........................................................................................................................ 750 Glosario..............................................................................................755 Bibliografa ........................................................................................767 www.FreeLibros.me
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15. 15. xiii Prlogo a la octava edicin La primera edicin de este libro apareci en el ao 1979, la segunda en 1981, la tercera en 1985, la cuarta en 1989, la quinta en 1993, la sexta en 1997 y la spma en 2005. Durante estos aos, las novedades incorporadas en la industria fueron el perfeccionamiento del control distribuido, aparecido inicialmente en 1975, la aparicin del transmisor inteligen- te digital en 1986, la aplicacin masiva del microprocesador, en todos los campos de la industria, con las espectaculares mejoras en los instrumentos de medicin y control que de una precisin en la variable medida clsica del 0,5% han pasado al 0,1%, el perfec- cionamiento del control avanzado, del control por redes neuronales, del control por lgica difusa y el avance de las comunicaciones hacia protocolos abiertos. En la spma edicin se revisaron las deniciones de control y el resumen de las nor- mas ISA e ISO de idencacin de instrumentos en el captulo 1, las comunicaciones en el captulo 2 y, en el captulo 9, se agruparon el control por computador con el control avanzado incluyendo su anlisis dinmico y se aadi el control integrado con todos sus componentes de gesn de alarmas y de seguridad de la planta. Se incluy un resumen de la norma de calidad ISO 9000 del ao 2000 y se actualiz el captulo 10 de calibracin de los instrumentos, trasladando al apndice la evolucin de la instrumentacin y aadiendo hojas representavas de especicaciones de instrumentos. En esta edicin actual se han revisado todos los captulos, en parcular el primero en la parte de incerdumbre y exactud de la medida, el segundo en la parte de comunicacio- nes, el sexto en pirmetros y en las tablas de termopares y el captulo 8 en el dimensio- namiento de las vlvulas de control. Se ha conservado el texto de las ediciones anteriores, amplindolo con los nuevos instrumentos y tcnicas aparecidas en el mercado y se ha reducido el estudio de la instrumentacin neumca y electrnica, en favor de la digital. Se han conservado las explicaciones bsicas de los instrumentos electrnicos y el punto de vista de considerar el instrumento dotado de microprocesador con sus algoritmos de control como una caja negra que se comporta igual que un instrumento convencional neumco o electrnico pero, lgicamente, proporcionando unas mejores prestaciones. En lo posible se han incluido fotos de instrumentos reales junto con los esquemas para que el lector pueda idencarlos en planta. Antonio CREUS www.FreeLibros.me
16. 16. www.FreeLibros.me
17. 17. xv Prlogo Los instrumentos de control estn universalmente aceptados. Hoy en da, es inimaginable la existencia de una industria moderna sin instrumentos. Y, aunque exisera, las necesida- des, que crea el mercado, de obtener productos terminados con las garanas de calidad exigidas y en la candad suciente para que el precio obtenido sea compevo, forzaran a modicar esta hipotca industria, incluyendo en la transformacin subsiguiente la au- tomazacin del proceso mediante los instrumentos de medicin y control. En la industria se presenta pues, repedamente, la necesidad de conocer y entender el funcionamiento de los instrumentos y el papel que juegan dentro del control del proceso. As le ocurre al jefe o al operador del proceso, al proyecsta y a su ingeniera, al estudiante y a cualquier persona que est relacionada o vaya a relacionarse con el proceso, sin men- cionar, como es lgico, al instrumensta o al tcnico en instrumentos para quienes el tema es la esencia de su profesin. A todas estas personas va dirigido este libro que ha sido escrito exponiendo los aspectos ms interesantes para el tcnico que, aunque no sea especialista en instrumentos, tenga la necesidad de conocer parte o todo el campo de la instrumentacin industrial. Desde este punto de vista he intentado que los temas expuestos sean fcilmente inteligibles para el lector, aunque no tenga una preparacin previa en instrumentacin, con la excepcin, naturalmente, de las partes de la obra dedicadas al anlisis dinmico de los instrumentos, en las que se precisa una base matemca, que no obstante se facilita en forma resumida en el Apndice A para referencia del lector. La obra consta de once captulos y de dos apndices. En el primer captulo se examinan los trminos que denen a los instrumentos y un cdigo para su idencacin. En el segundo captulo se estudian los transmisores y los sistemas de comunicaciones. En los captulos 3, 4, 5, 6 y 7 se estudian las variables medidas y controladas en los pro- cesos industriales, en parcular las que son consideradas ms importantes, la presin, el caudal, el nivel y la temperatura. En el captulo 8 se estudian los elementos nales de control que constuyen una de las partes ms importantes del control, en parcular, las vlvulas. Se describen sus elementos y se deducen las frmulas de clculo correspondientes. La parte ms importante de la obra est dedicada al control automco en el captulo 9. Describe los sistemas de control ulizados explicando los conceptos del control proporcio- nal, integral y derivavo con sus valores consignados en el instrumento. Este captulo exa- mina, adems, otros pos de control que constuyen mejoras de los clsicos PID y, entre www.FreeLibros.me
18. 18. xvi los que se encuentran, el control avanzado, la seguridad intrnseca y funcional, el control distribuido, el control integrado, etc. En el captulo 10 se describen los errores propios de los instrumentos, un sistema general de calibracin y una descripcin de los instrumentos de comprobacin o patrones ulizados. Finalmente, en el captulo 11 guran varias aplicaciones picas en la industria para pre- sentar al lector ejemplos que le permitan hacerse una idea de las mlples aplicaciones de los instrumentos y su papel dentro del proceso. Este captulo se limita, naturalmente, a estudiar slo unos pocos procesos y todava de forma simple, ya que un estudio exhaus- vo requerira una obra dedicada exclusivamente a esta parte de las aplicaciones, lo que queda, como es lgico, fuera de los lmites de este libro. Un apndice dedicado al anlisis dinmico de los instrumentos, a la evolucin de la instru- mentacin y a la presentacin de hojas de especicaciones de instrumentos completan la obra. Permite al lector familiarizarse con los trminos empleados en el anlisis armnico, estudia el control desde el punto de vista dinmico, lo que permite deducir un camino en el cual estn basados los criterios establecidos para el ajuste adecuado de los controladores y las tcnicas del control avanzado. Se incluye una descripcin de la evolucin que ha ido experimentando la instrumentacin en los lmos aos de acuerdo con la industria, con la que ha ido avanzando paralelamente. Finalmente, y como material adicional, se incluyen ejemplos picos de hojas de especicacin de instrumentos. Espero que la obra cumplir su objevo, contribuyendo a la mejor comprensin de la ins- trumentacin, y que ayudar, conjuntamente con la bibliograa existente sobre el tema, a un mayor entendimiento entre el personal de proceso y el de instrumentacin, al posibili- tar el mejor conocimiento del papel que los instrumentos juegan en la industria, as como de sus limitaciones, que forzosamente las enen al ser, en realidad, disposivos mecni- cos, electrnicos o digitales. www.FreeLibros.me
19. 19. Captulo 1. Generalidades 1 Captulo 1 Generalidades 1.1 Introduccin Los procesos industriales exigen el control de la fabricacin de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos pos de productos: la fabricacin de los pro- ductos derivados del petrleo, de los productos alimencios, la industria cermica, las centrales generadores de energa, la siderurgia, los tratamientos trmicos, la industria papelera, la industria texl, etc. En todos estos procesos, es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas mag- nitudes, tales como la presin, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conducvidad, la velocidad, la humedad, el punto de roco, etc. Los instrumentos de medicin y control permiten el mantenimien- to y la regulacin de estas constantes en condiciones ms idneas que las que el propio operador podra realizar. En los inicios de la era industrial, la operatoria de los procesos se llevaba a cabo con un control ma- nual de estas variables ulizando slo instrumentos simples, manmetros, termmetros, vlvulas manuales, etc., control que era suciente por la relava simplicidad de los procesos. Sin embargo, la gradual complejidad con qu stos se han ido desarrollando ha exigido su automazacin pro- gresiva por medio de los instrumentos de medicin y control. Estos instrumentos han ido liberando al personal de campo de su funcin de actuacin sica directa en la planta y, al mismo empo, le han permido una labor nica de supervisin y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los instrumen- tos, ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de caracte- rscas, condiciones que al operario le seran imposibles o muy diciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual. Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categoras: procesos connuos y procesos disconnuos. En general, en ambos pos deben mantenerse las variables (presin, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado jo, bien en un valor variable con el empo de acuerdo con una relacin predeterminada, o bien guardando una relacin deter- minada con otra variable. El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede denirse como aquel que compara el valor de la variable, o condicin a controlar, con un valor deseado y toma una accin de correccin de acuerdo con la desviacin existente sin que el operario intervenga en absoluto. El sistema de control exige pues, para que esta comparacin y subsiguiente correccin sean posi- bles, que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento nal de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo que recibe el nombre de lazo de control. El lazo puede ser abierto o bien cerrado (gura 1.1). En el lazo de control abierto de la gura 1.1 el operador ajusta la vlvula manual en la forma que cree conveniente para igualar el caudal del lquido de salida con el de entrada. Si los caudales de www.FreeLibros.me
20. 20. Instrumentacin Industrial 2 entrada y salida son muy diferentes con picos de consumo desiguales, al operador le ser dicil mantener un nivel constante de modo que tendr que hacer ajustes con frecuencia. En cambio, en el control de lazo cerrado, una vez ajustada la posicin del vstago de la vlvula de control con la varilla del ndice del otador, el propio sistema se encargar de mantener el nivel en el punto deseado. Si en algn momento se presentan picos de caudal en la entrada, el nivel aumentar, con lo cual, la vlvula de control abrir para aumentar el caudal de salida y mantener as un nivel con- trolado, independientemente de la actuacin del operador. Figura 1.1 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 elctrica sumergida. Los procesos con constantes de empo importantes o con retardos conside- rables son adecuados para el control en lazo abierto. La principal desventaja del lazo abierto es la prdida de exactud. No hay garana de que la entrada manual al proceso sea la adecuada para llevar la variable al punto de consigna deseado. Otro ejemplo de lazo cerrado representavo lo constuye la regulacin de temperatura en un intercambiador de calor (gura 1.2). 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 con un buen conocimiento del proceso. El operador, en base a su experiencia, abrir o cerrar el elemento nal de control (vlvula de control, etc.) ms all de lo que lo hara un lazo cerrado de control, con lo que conseguir una mayor velocidad en la variable y alcanzar el punto de consigna en menos empo. En ambos casos se observa que existen elementos denidos como el elemento de medida, el trans- misor, el controlador, el indicador, el registrador y el elemento nal. www.FreeLibros.me
21. 21. Captulo 1. Generalidades 3 Figura 1.2 Lazo cerrado de control de un intercambiador de calor Si se desea que el proceso tenga velocidad y exactud en alcanzar el valor de la variable deseada (punto de consigna) deben aplicarse simultneamente el control de lazo abierto y el cerrado, lo que constuye el llamado control ancipavo (feedforward). Este po de control uliza un modelo matemco que acta 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. Por ejemplo, un coche equipado con un control de velocidad y con un sistema de radar que cap- te los cambios de pendiente en la carretera, aumentar su velocidad para impedir que el coche reduzca su velocidad al pasar del llano a una subida. Sin el radar, el controlador de velocidad del coche no puede saber que el coche necesita ser acelerado hasta que la velocidad ha disminuido al empezar la subida. 1.2 Definiciones en control Los instrumentos de control empleados en las industrias de proceso tales como qumica, petro- qumica, alimencia, metalrgica, energca, texl, papel, etc., enen su propia terminologa; los trminos empleados denen las caracterscas propias de medida y de control y las estcas y dinmicas de los diversos instrumentos ulizados: Indicadores, registradores, controladores, transmisores y vlvulas de control. La terminologa empleada se ha unicado con el n de que los fabricantes, los usuarios y los orga- nismos o endades que intervienen directa o indirectamente en el campo de la instrumentacin industrial empleen el mismo lenguaje. Las deniciones de los trminos empleados se relacionan con las sugerencias hechas por ANSI/ISA-S51.1-1979 (R 1993) aprobadas el 26 de mayo de 1995. Se representan en la gura 1.3 y son las siguientes (guran entre parntesis los trminos ingleses equivalentes). www.FreeLibros.me
22. 22. Instrumentacin Industrial 4 1.2.1 Campo de medida El campo de medida (range) es el espectro o conjunto de valores de la variable medida que estn comprendidos dentro de los lmites superior e inferior de la capacidad de medida, de recepcin o de transmisin del instrumento. Viene expresado estableciendo los dos valores extremos. Ejemplo: un manmetro de intervalo de medida 0- 10 bar, un transmisor de presin electrnico de 0-25 bar con seal de salida 4-20 mA c.c. o un instrumento de temperatura de 100-300 C. Otro trmino derivado es el de dinmica de medida o rangeabilidad (rangeability), que es el co- ciente entre el valor de medida superior e inferior de un instrumento. Por ejemplo, una vlvula de control lineal que regule linealmente el caudal desde el 2% hasta el 100% de su carrera tendr una rangeabilidad de 100/2 = 50. Figura 1.3 Definiciones de los instrumentos 1.2.2 Alcance El alcance (span) es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de me- dida del instrumento. En los ejemplos anteriores es de 10 bar para el manmetro, de 25 bar para el transmisor de presin y de 200 C para el instrumento de temperatura. www.FreeLibros.me
23. 23. Captulo 1. Generalidades 5 1.2.3 Error El error de la medida es la desviacin que presentan las medidas prccas de una variable de pro- ceso con relacin a las medidas tericas o ideales, como resultado de las imperfecciones de los aparatos y de las variables parsitas que afectan al proceso. Es decir: Error = Valor ledo en el instrumento - Valor ideal de la variable medida El error absoluto es: Error absoluto = Valor ledo - Valor verdadero El error relavo representa la calidad de la medida y es: Error relativo = Error absoluto / Error verdadero Si el proceso est en condiciones de rgimen permanente existe el llamado error estco. En con- diciones dinmicas el error vara considerablemente debido a que los instrumentos enen caracte- rscas comunes a los sistemas sicos: absorben energa del proceso y esta transferencia requiere cierto empo para ser transmida, lo cual da lugar a retardos en la lectura del aparato. Siempre que las condiciones sean dinmicas, exisr en mayor o menor grado el llamado error dinmico (diferencia entre el valor instantneo y el indicado por el instrumento): su valor depende del po de uido del proceso, de su velocidad, del elemento primario (termopar, bulbo y capilar), de los medios de proteccin (vaina), etc. El error medio del instrumento es la media aritmca de los errores en cada punto de la medida determinados para todos los valores crecientes y decrecientes de la variable medida. Cuando una medicin se realiza con la parcipacin de varios instrumentos, colocados unos a con- nuacin de otros, el valor nal de la medicin estar constuido por los errores inherentes a cada uno de los instrumentos. Si el lmite del error relavo de cada instrumento es a, b, c, d, etc., el mximo error posible en la medicin ser la suma de los valores anteriores, es decir: + (a + b + c + d + ...) Ahora bien, como es improbable que todos los instrumentos tengan al mismo empo su error mximo en todas las circunstancias de la medida, suele tomarse como error total de una medicin la raz cuadrada de la suma algebraica de los cuadrados de los errores mximos de los instrumen- tos, es decir, la expresin: 2 2 2 2 ...a b c dr Por ejemplo, el error obtenido al medir un caudal con un diafragma, un transmisor electrnico de 4-20 mA c.c., un receptor y un integrador electrnicos es de: Elementos del lazo Errores Diafragma 2% Transmisor electrnico de 4-20 mA c.c. 0,50% Receptor electrnico 0,50% Integrador electrnico 0,50% Error total de la medicin 2 2 2 2 2 0,5 0,5 0,5 = 2,18% Tabla 1.1 Error de medida de caudal www.FreeLibros.me
24. 24. Instrumentacin Industrial 6 Figura 1.4 Medida de caudal con varios instrumentos 1.2.4 Incertidumbre de la medida Cuando se realiza una operacin de calibracin, se compara el instrumento a calibrar con un apara- to patrn para averiguar si el error (diferencia entre el valor ledo por el instrumento y el verdadero valor medido con el aparato patrn) se encuentra dentro de los lmites dados por el fabricante del instrumento. Como el aparato patrn no permite medir exactamente el valor verdadero (tambin ene un error) y como adems en la operacin de comparacin intervienen diversas fuentes de error, no es posible caracterizar la medida por un nico valor, lo que da lugar a la llamada incer- dumbre de la medida o incerdumbre (uncertainty). Entre las fuentes de incerdumbre se encuentran: Inuencia de las condiciones ambientales. Lecturas diferentes de instrumentos analgicos realizadas por los operadores. Variaciones en las observaciones repedas de la medida en condiciones aparentemente idn- cas. Valores inexactos de los instrumentos patrn. Muestra del producto no representava. Por ejemplo, en la medida de temperatura con un termmetro patrn de vidrio, la masa del bulbo cambia la temperatura de la muestra del pro- ceso cuya temperatura desea medirse. As pues, la incerdumbre es la dispersin de los valores que pueden ser atribuidos razonable- mente al verdadero valor de la magnitud medida. En el clculo de la incerdumbre intervienen la distribucin estadsca de los resultados de series de mediciones, las caracterscas de los equipos (deriva en funcin de la tensin de alimentacin o en funcin de la temperatura, etc.), etc. Para que la comparacin sea correcta, el procedimiento general es que el patrn de medida sea su- ciente mas preciso que la del aparato que se calibra (relacin 4:1 en los sensores de presin - ISA S 37.3). Para el clculo de la incerdumbre pueden seguirse varias normas: ISO/IEC 17025:2005 General requirements for the competence of tesng and calibraon labo- ratories. G-ENAC-09 Rev 1 Julio 2005: Gua para la expresin de la incerdumbre en los ensayos cuan- tavos. www.FreeLibros.me
25. 25. Captulo 1. Generalidades 7 CEA-ENAC-LC/02 Expresin de la Incerdumbre de Medida en las Calibraciones. EAL-R2 Expression of the Uncertainty of Measurement in Calibraon, 1995. GUM (Guide to the expression of uncertainty in measurement), conocida tamben como ISO/TC 213 N 659. En el clculo de la incerdumbre se usa el trmino mensurando que signica: magnitud parcu- lar objeto de una medicin. Puede ser medido directamente (por ejemplo, la temperatura de un cuerpo con un termmetro) o bien de forma indirecta a parr de otras magnitudes relacionadas de forma matemca o funcional (por ejemplo, la medida de la densidad a travs de la relacin masa/volumen del cuerpo). El mensurando es, pues, funcin de una serie de magnitudes de entra- da y la expresin de esta funcin puede ser experimental o ser un algoritmo de clculo o bien una combinacin. Hay dos incerdumbres A y B presentes en la medicin. Las A se relacionan con fuentes de error aleatorios y pueden ser evaluadas a parr de distribuciones estadscas (lecturas en el instrumen- to), mientras que las B estn asociadas a errores de po sistemco y corresponden a la incer- dumbre del calibrador, la resolucin del instrumento y la inuencia de otras magnitudes (tempe- ratura, campos externos, humedad, posicin, 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 incerdumbre po A como la de po B, se procede a calcular la incerdumbre combinada:
26. 26. 2 2 c tipo A tipo Bu = u + u Y despus la incerdumbre expandida: expandida cU =K uu Siendo K = Factor de cobertura o de seguridad que se determina de acuerdo con el nivel de con- anza de la incerdumbre, dado en la tabla 1.2 (factor T de Student). Con un nivel de conanza del 95,45% y para un nmero de valores mayor de 20 es K = 2. N de obser- Grados de vaciones libertad Nivel de conanza (n - 1) 99% 98% 95,45% 90% 80% 68% 2 1 63,66 31,82 13,97 6,31 3,08 1,82 3 2 9,92 6,96 4,53 2,92 1,89 1,31 4 3 5,84 4,54 3,31 2,35 1,64 1,19 5 4 4,6 3,75 2,87 2,13 1,53 1,13 6 5 4,03 3,36 2,65 2,02 1,48 1,1 7 6 3,71 3,14 2,52 1,94 1,44 1,08 8 7 3,5 3 2,43 1,89 1,41 1,07 9 8 3,36 2,9 2,37 1,86 1,4 1,06 10 9 3,25 2,82 2,32 1,83 1,38 1,05 11 10 3,17 2,76 2,28 1,81 1,37 1,05 www.FreeLibros.me
27. 27. Instrumentacin Industrial 8 N de obser- Grados de vaciones libertad Nivel de conanza (n - 1) 99% 98% 95,45% 90% 80% 68% 12 11 3,11 2,72 2,25 1,8 1,36 1,04 13 12 3,05 2,68 2,23 1,78 1,36 1,04 14 13 3,01 2,65 2,21 1,77 1,35 1,03 15 14 2,98 2,62 2,2 1,76 1,35 1,03 16 15 2,95 2,6 2,18 1,75 1,34 1,03 17 16 2,92 2,58 2,17 1,75 1,34 1,03 18 17 2,9 2,57 2,16 1,74 1,33 1,02 19 18 2,88 2,55 2,15 1,73 1,33 1,02 20 19 2,86 2,54 2,14 1,73 1,33 1,02 Innito Innito 2,58 2,33 2 1,64 1,28 1 Tabla 1.2 Valores T de Student para diferentes niveles de confianza y grados de libertad Incerdumbre po A. La evaluacin de la incerdumbre estndar se efecta por anlisis estads- co de una serie de observaciones independientes de la magnitud de entrada, bajo las mismas condiciones de medida. Si no existen componentes evaluadas estadscamente la evaluacin de po A corresponde a la repebilidad del instrumento a calibrar. Considerando que la distribucin de probabilidades de las medias de dichas variables es la curva de Gauss o de distribucin normal en forma de campana, la media aritmca es el valor esmado de la variable, mientras que la desviacin estndar representa el grado de dispersin de los valores de la variable que se miden repevamente. As, en una serie de medidas repevas de la variable, el valor esmado x viene dado por la media aritmca o promedio de los valores observados: ( )i 1 1 x= x= x n n con xi (i = 1, 2, 3, ... n) Y el valor esmado de la varianza experimental: 2 2 i 1 s (x)= S(x - x) n-1 La mejor esmacin de la varianza de la media aritmca x es la varianza experimental de la media aritmca dividida por n. Y as: 2 2 i 1 s (x)= S(x - x) n(n-1) Su raz cuadrada posiva es la desviacin pica experimental de la media aritmca que equivale a la incerdumbre pica. U(x) = s(x) Cuando el nmero de medidas repevas es menor de 10, la desviacin pica debe mulplicarse por un factor mulplicador. www.FreeLibros.me
28. 28. Captulo 1. Generalidades 9 N de medidas (N) Factor mulplicador () N de medidas (N) Factor mulplicador () 2 7 6 1,3 3 2,3 7 1,3 4 1,7 8 1,2 5 1,4 9 1,2 Tabla 1.3 Factor multiplicador del nmero de medidas Incerdumbre po B. La incerdumbre se determina en base a la informacin disponible proce- dente de varias fuentes, tales como: Datos de medidas anteriores. Experiencia y conocimiento de los instrumentos. Especicaciones del fabricante. Valores de incerdumbre de manuales tcnicos. El mtodo exige un juicio basado en la experiencia y en conocimientos generales. Es una decisin cienca basada en toda la informacin disponible que puede venir dada por resultados de medi- das anteriores, por la experiencia, por las especicaciones del fabricante, por los datos suministra- dos por cercados de calibracin u otros cercados, etc. Se asumen las distribuciones rectangu- lar, triangular y normal segn sea el criterio y la experiencia del personal. Figura 1.5 Distribuciones normal, rectangular y triangular y resolucin de los instrumentos analgicos y digitales Expresin de la distribucin rectangular con un factor de cobertura de 1,65 (= 0,95 3) para pro- porcionar un nivel de conanza de aproximadamente el 95%:
29. 29. ( ) 2 i a diferencia entre valores mximos y mnimos,histresis mxima,etc. u x = 12 Si se conocen los valores mximo y mnimo a1 y a2 se ene: u2 B (xi)= (a1 - a2)2 / 12 Y si se trata de un sistema centrado, a1 - a2 = 2a, y entonces: u2 B (xi) = a2 / 3 Distribucin triangular, propia de los instrumentos analgicos:
30. 30. ( ) 2 i a diferencia entre valores mximos y mnimos,histresis mxima,etc. u x = 24 www.FreeLibros.me
31. 31. Instrumentacin Industrial 10 Y para la distribucin normal: ( )i a u x = 3 Ejemplo 1: Manmetro po Bourdon de escala 0-4 bar (400 KPa o 4,078865 Kg/cm2 ) que se calibra con un patrn (comprobador de manmetros de peso muerto) de incerdumbre 4,1 10-6 (2 10-4 ), efectundose la calibracin a la temperatura de 20 2 C, y con ciclos de presiones aplicadas de su- bida y de bajada, que permiten comprobar si el instrumento ene histresis. Cada medida se realiza cuatro veces. La calibracin se efecta colocando las pesas necesarias y haciendo girar con la mano el conjunto. El giro libre indica que el pistn que soporta las pesas est otando y que por lo tanto la presin generada es la correcta. Figura 1.6 Comprobacin de un manmetro con un medidor de peso muerto (dead weight tester) (Fuente: Ashcroft) La incerdumbre debida al patrn en el fondo de escala es: -6 pu (Incertidumbre patrn)= 4,110 4 = 0,0000164 bar = 0,00164 KPa y su desviacin pica, basada en las distribuciones Normal y de Student, con un nivel de conanza del 95% es de: p 0,0000164 u = = 0,0000082 bar = 0,00082 KPa 2 La desviacin pica del patrn (variacin de Presin del Patrn con la temperatura = 9 10-6 , debi- da a las condiciones ambientales es: -6 p 1 u (temperatura)= 910 24 = 0,000024 bar = 0,0024 KPa 3 La desviacin pica de las medidas en el manmetro analgico es la mxima obtenida: 2 medidas 0,012 5 u (max)= 1,7 = 0,0127575 0,8+1,6 +2,4+3,2+3,9 www.FreeLibros.me
32. 32. Captulo 1. Generalidades 11 siendo 1,7 el factor mulplicador para 4 medidas (subesmacin de la incerdumbre que para 10 medidas valdra la unidad). medidas 0,0127575 u (media)= = 0,0063788 bar 2 La incerdumbre experimental po A es: 2 2 2 experimentalu (total)= 0,0000082 +0,000024 +0,0063788 = 0,0063788 bar En la incerdumbre po B, el patrn de peso muerto, ene en el fondo de escala: -6 Incertidumbre patrn= 4,110 4 = 0,0000164 bar = 0,00164 KPa El manmetro a calibrar ene una escala 0-4 bar (0-400 KPa). El dgito menos signicavo ene el valor de 0,1 bar. Figura 1.7 Manmetro analgico de escala 0-4 bar. Dgito menos significativo = 0,1 bar Con una distribucin triangular (instrumentos analgicos) se ene: Valor medio 0,05 Resolucin instrumento= = = 0,0102062 bar 24 24 La incerdumbre total po B es pues: 2 2 tipo Bu = 0,0000164 +0,0102062 = 0,0102062 bar La incerdumbre combinada po B + po A es:
33. 33. 2 2 2 2 c tipo A tipo Bu = u + u = 0,0063788 +0,0102062 = 0,01203 Y la incerdumbre expandida es: expandida cU = Ku = 1,870,01203= 0,022506 bar www.FreeLibros.me
34. 34. Instrumentacin Industrial 12 Siendo el factor de cobertura K = 1,87 (tabla 1.2 - Factor T de Student con un nivel de conanza del 95,45%). Si el nmero de valores fuera superior a 20 es K = 2. Y la expresin de la incerdumbre: 4 0,022 bar. Tabla 1.4 Clculo incertidumbre de un manmetro tipo Bourdon de 4 bar (400 KPa) Ejemplo 2: Manmetro digital de escala 0-200 kPa equivalente a 0-2 bar, que se calibra con el mismo patrn anterior (comprobador de manmetros de peso muerto) de incerdumbre 4,1 10-6 (2 10-4 ), y en la misma forma. En el ejemplo 1 se determin la incerdumbre debida al patrn en el fondo de escala up = 0,0000164 bar, su desviacin pica up = 0,0000082 bar y la desviacin pica del patrn (variacin de presin con la temperatura 9 10-6 ), debida a las condiciones ambientales up (tem- peratura)= 0,000024 bar. La desviacin pica de las medidas en el manmetro digital: 2 medidas 0,002 5 u (max)= 1,7 = 0,0024051 0,4+0,8+1,2+1,6 +1,85 Y la media: medidas 0,0024051 u (media)= = 0,0012026 bar 2 www.FreeLibros.me
35. 35. Captulo 1. Generalidades 13 La incerdumbre experimental po A es: 2 2 2 experimentalu (total)= 0,0000082 +0,000024 +0,0012026 = 0,0012028 bar El manmetro digital ene una escala de 0-200 KPa (0-2 bar) y el dgito menos signicavo es de 0,01 KPa (0,0001 bar), con lo que el valor medio es 0,005 KPa (0,00005 bar). Figura 1.8 Manmetro digital de escala 0-200 KPa (0-2 bar). Dgito menos significativo 0,01 KPa = 0,0001 bar En el manmetro digital se considera una distribucin rectangular con la frmula: Valor medio 0,00005 Resolucin instrumento= = = 0,0000288 bar 3 3 Manmetro digital: 2 2 tipo Bu = 0,0000164 +0,0000288 = 0,0000331bar = 1,02 KPa La incerdumbre combinada po A + po B es:
36. 36. 2 2 2 2 c tipo A tipo Bu = u + u = 0,0012028 +0,0000331 = 0,00120329 Y la incerdumbre expandida con el factor de cobertura K = 1,87 es: expandida cU = Ku = 1,870,00120329 = 0,002250152 bar Y la expresin de la incerdumbre es 2 0,0022 bar, o bien, 200 0,22 KPa. www.FreeLibros.me
37. 37. Instrumentacin Industrial 14 Tabla 1.5 Clculo incertidumbre de un manmetro digital de 200 KPa (2 bar) 1.2.5 Exactitud La exactud (accuracy) es la cualidad de un instrumento de medida por la que ende a dar lecturas prximas al valor verdadero de la magnitud medida. En otras palabras, es el grado de conformidad de un valor indicado a un valor estndar aceptado o valor ideal, considerando este valor ideal como si fuera el verdadero. El grado de conformidad inde- pendiente es la desviacin mxima entre la curva de calibracin de un instrumento y una curva carac- tersca especicada, posicionada de tal modo tal que se reduce al mnimo dicha desviacin mxima. La exactud (accuracy) dene los lmites de los errores comedos cuando el instrumento se em- plea en condiciones normales de servicio durante un perodo de empo determinado (normalmen- te 1 ao). La exactud se da en trminos de inexactud, es decir, un instrumento de temperatura de 0-100 C con temperatura del proceso de 100 C y que marca 99,98 C se aproxima al valor real en 0,02 C, o sea ene una inexactud de 0,02 C. Hay varias formas para expresar la exactud: a) Tanto por ciento del alcance, campo de medida (range). Ejemplo: en el instrumento de tempe- ratura de la gura 1.3, para una lectura de 150 C y una exactud de 0,5%, el valor real de la temperatura estar comprendido entre 150 0,5 200/100 = 150 1, es decir, entre 149 C y 151 C. www.FreeLibros.me
38. 38. Captulo 1. Generalidades 15 b) Directamente, en unidades de la variable medida. Ejemplo: exactud 1 C. c) Tanto por ciento de la lectura efectuada. Ejemplo: exactud de 1% de 150 C, es decir, 1,5 C. d) Tanto por ciento del valor mximo del campo de medida. Ejemplo: exactud 0,5% de 300 C = 1,5 C. e) Tanto por ciento de la longitud de la escala. Ejemplo: si la longitud de la escala del instrumento de la gura 1.3 es de 150 mm, la exactud de 0,5% representar 0,75 mm en la escala. La exactud vara en cada punto del campo de medida s bien, el fabricante la especica, en todo el margen del instrumento, indicando a veces su valor en algunas zonas de la escala. Por ejemplo: un manmetro puede tener una exactud de 1% en toda la escala y de 0,5% en la zona central. Cuando se desea obtener la mxima exactud del instrumento en un punto determinado de la es- cala, puede calibrarse nicamente para este punto de trabajo, sin considerar los valores restantes del campo de medida. Por ejemplo: un termmetro de 0-150 C y de 1% de exactud situado en un bao de temperatura constante a 80 C, puede ser calibrado a este valor, de modo que su exac- tud en este punto de trabajo ser la mxima que se pueda obtener con un termmetro patrn. Es obvio que para los valores restantes, en parcular los correspondientes a los extremos de la escala, la exactud se apartar de 1%. Figura 1.9 Exactitud y precisin Hay que sealar que los valores de la exactud de un instrumento se consideran, en general, esta- blecidos para el usuario, es decir, son los proporcionados por los fabricantes de los instrumentos. Sin embargo, estos lmos tambin suelen considerar los valores de calibracin en fbrica y de inspec- cin. Por ejemplo, un instrumento que en fbrica ene una exactud de calibracin de 0,8%, en inspeccin le corresponde 0,9% y la dada al usuario es 1% Con ello, se pretende tener un margen de seguridad para compensar los efectos de las diferencias de apreciacin de las personas que efectan la calibracin, las diferentes exactudes de los instru- mentos de medida ulizados, las posibles alteraciones debidas al desplazamiento del instrumento de un punto a otro, los efectos ambientales y de envejecimiento, etc. www.FreeLibros.me
39. 39. Instrumentacin Industrial 16 1.2.6 Precisin La precisin (precision) es la cualidad de un instrumento por la que ende a dar lecturas muy prxi- mas unas a otras, es decir, es el grado de dispersin de las mismas. Un instrumento puede tener una pobre exactud, pero una gran precisin. Por ejemplo, un manmetro de intervalo de medida de 0 a 10 bar, puede tener un error de cero considerable marcando 2 bar sin presin en el proceso y diversas lecturas de 7,049, 7,05, 7,051, 7,052 efectuadas a lo largo del empo y en las mismas condiciones de servicio, para una presin del proceso de 5 bar. Tendr un error prcco de 2 bar, pero los valores ledos estarn muy prximos entre s con una muy pequea dispersin mxima de 7,052 - 7,049 = 0,003, es decir, el instrumento tendr una gran precisin . Por lo tanto, los instrumentos de medida estarn diseados por los fabricantes para que sean pre- cisos, y como peridicamente se descalibran, deben reajustarse para que sean exactos. A sealar que el trmino precisin es sinnimo de repebilidad. 1.2.7 Zona muerta La zona muerta (dead zone o dead band) es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicacin o la seal 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 gura 1.3 es de 0,1%, es decir, de 0,1 200/100 = 0,2 C. 1.2.8 Sensibilidad La sensibilidad (sensivity) es la razn entre el incremento de la seal de salida o de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, despus de haberse alcanzado el estado de reposo. Por ejemplo, si en un transmisor electrnico de 0-10 bar, la presin pasa de 5 a 5,5 bar y la seal de salida de 11,9 a 12,3 mA c.c., la sensibilidad es el cociente: (12,3 11,9) / (20 4) (5,5 5) /10= 0,5 mA c.c./bar Viene dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Si la sensibilidad del instrumento de tem- peratura de la gura 1.3 es de 0,05%, su valor ser de 0,05 200 = 0,1 C. Hay que sealar que no debe confundirse la sensibilidad con el trmino de zona muerta; son de- niciones bsicamente disntas que antes era fcil confundir cuando la denicin inicial de la sen- sibilidad era valor mnimo en que se ha de modicar la variable para apreciar un cambio medible en el ndice o en la pluma de registro de los instrumentos. 1.2.9 Repetibilidad La repebilidad (repeability) es la capacidad de reproduccin de las posiciones de la pluma o del ndice o de la seal de salida del instrumento, al medir repedamente valores idncos de la varia- ble en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sendo de variacin, recorriendo todo el campo. La repebilidad es sinnimo de precisin. A mayor repebilidad, es decir, a un menor valor numrico (por ejemplo, si en un instrumento es 0,05% y en otro es 0,005%, este segundo tendr ms repebilidad), los valores de la indicacin o seal de salida estarn mas concentrados, es decir, habr menos dispersin y una mayor precisin. www.FreeLibros.me
40. 40. Captulo 1. Generalidades 17 La repebilidad se expresa en tanto por ciento del alcance; un valor representavo es el de 0,1%. Ntese que el trmino repebilidad no incluye la histresis (gura 1.3b). Para determinarla, el fabri- cante comprueba la diferencia entre el valor verdadero de la variable y la indicacin o seal de salida del instrumento recorriendo todo el campo, y parendo, para cada determinacin, desde el valor mnimo del campo de medida. De este modo, en el caso de un manmetro puede haber anotado los siguientes datos relacionados. Tabla 1.6 Valoracin de la repetibilidad La repebilidad viene dada por la frmula: 2 i(x - x) N Resultando: 0,00078 0,0064 19 r 1.2.10 Histresis La histresis (hysteresis) es la diferencia mxima que se observa en los valores indicados por el ndice o la pluma del instrumento o la seal de salida para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sendos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: si en un termmetro de 0-100%, para el valor de la variable de 40 C, la aguja marca 39,9 Cal subir la temperatura desde 0 C, e indica 40,1 C al bajar la temperatura desde 100 C, el valor de la histresis es de: 40,1 39,9 100 0 x 100 = 0,2% En la gura 1.3c pueden verse las curvas de histresis que estn dibujadas exageradamente para apre- ciar bien su forma. Hay que sealar que el trmino zona muerta est incluido dentro de la histresis. www.FreeLibros.me
41. 41. Instrumentacin Industrial 18 1.2.11 Otros trminos Otros trminos empleados en las especicaciones de los instrumentos son los siguientes: Campo de medida con elevacin de cero Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o seal medida es mayor que el valor inferior del campo. Por ejemplo, -10 C a 30 C. Campo de medida con supresin de cero Es aquel campo de medida en el que el valor cero de la variable o seal medida es menor que el valor inferior del campo. Por ejemplo, 20 C a 60 C. Elevacin de cero Es la candad con que el valor cero de la variable supera el valor inferior del campo. Puede expre- sarse en unidades de la variable medida o en % del alcance. Por ejemplo, 10 C en el campo -10 C a 30 C del instrumento, o sea (10/40) 100 = 25%. Supresin de cero Es la candad con que el valor inferior del campo supera el valor cero de la variable. Puede expre- sarse en unidades de la variable medida o en % del alcance. Por ejemplo, 20 C en el campo 20 C a 60 C del instrumento, o sea (20/40) 100 = 50%. Deriva Es una variacin en la seal de salida que se presenta en un perodo de empo determinado mien- tras se manenen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales. Se suelen considerar la deriva de cero (variacin en la seal de salida para el valor cero de la medida atribui- ble a cualquier causa interna) y la deriva trmica de cero (variacin en la seal de salida a medida cero, debida a los efectos nicos de la temperatura). La deriva est expresada usualmente en porcentaje de la seal de salida de la escala total a la temperatura ambiente, por unidad, o por intervalo de variacin de la temperatura. Por ejemplo, la deriva trmica de cero de un instrumento en condiciones de temperatura ambiente durante 1 mes fue de 0,2% del alcance. Fiabilidad Medida de la probabilidad de que un instrumento conne comportndose dentro de lmites es- pecicados de error a lo largo de un empo determinado y bajo unas condiciones especicadas. Resolucin Es la menor diferencia de valor que el instrumento puede disnguir. En los instrumentos analgicos interviene el operador segn donde observe la posicin de la aguja, su error de paralaje en la lec- tura efectuada y la distancia entre los valores marcados en la escala. Por ejemplo, en un indicador de nivel de 0% a 100% graduado cada 1% de la escala, con la aguja indi- cadora, que el observador considera en la mitad entre las divisiones 52% y 53%, y que el arma que es capaz de discriminar valores del 0,5%, podr considerarse la resolucin como (0,5/100) = 0,05%. En los instrumentos digitales, la resolucin es el cambio de valor de la variable que ocasiona que el dgito menos signicavo se modique. Por ejemplo, un indicador digital de temperatura en el que se lee 531,01 C, el dgito menos signicavo es el lmo 1. www.FreeLibros.me
42. 42. Captulo 1. Generalidades 19 Luego, si la temperatura aumenta a 531,02 C, la resolucin es de ((531,02 - 531,01)/100) = 0,00001%, lo cual no signica en absoluto que esta sea la exactud del instrumento. Resolucin innita Capacidad de proporcionar una seal de salida progresiva y connua en todo el campo de trabajo del instrumento. Trazabilidad Propiedad del resultado de las mediciones efectuadas con un instrumento o con un patrn, tal que puede relacionarse con patrones nacionales o internacionales, mediante una cadena ininterrumpi- da de comparaciones y con todas las incerdumbres determinadas. Ruido Cualquier perturbacin elctrica o seal accidental no deseada que modica la transmisin, indica- cin o registro de los datos deseados. Un caso especial es la interferencia de radiotransmisores RFI (Radio Frequency Interference). Puede expresarse en unidades de la seal de salida o en tanto por ciento del alcance. Linealidad La aproximacin de una curva de calibracin a una lnea recta especicada. Linealidad basada en puntos Falta de linealidad expresada en forma de desviacin mxima con relacin a una lnea recta que pasa a travs de los puntos dados correspondientes al cero y al 100% de la variable medida. Temperatura de servicio Campo de temperaturas en el cual se espera que trabaje el instrumento dentro de unos lmites de error especicados. Vida l de servicio Tiempo mnimo especicado durante el cual se aplican las caracterscas de servicio connuo e intermitente del instrumento sin que se presenten cambios en su comportamiento, ms all de tolerancias especicadas. Reproducbilidad Capacidad de reproduccin de un instrumento de las medidas repevas de la lectura o seal de salida para el mismo valor de la variable medida alcanzado en ambos sendos, en las mismas con- diciones de servicio y a lo largo de un perodo de empo determinado. Por ejemplo, un valor representavo sera 0,2% del alcance de la lectura o seal de salida a lo largo de un perodo de 30 das. Respuesta frecuencial Variacin con la frecuencia de la relacin de amplitudes seal de salida/variable medida (y de la diferencia de fases entre la salida y la variable medida) para una medida de variacin senoidal aplicada a un instrumento dentro de un campo establecido de frecuencias de la variable medida. Se especica usualmente como dentro de ...% de ... a ... Hz. www.FreeLibros.me
43. 43. Instrumentacin Industrial 20 1.2.12 Ejemplos generales de caractersticas de instrumentos En la gura 1.10 pueden verse tres pos de instrumentos cuyas caracterscas son: Termmetro bimetlico Intervalo de medida (range) = 0-100 C Alcance (span) = 100 Exactud (accuracy) = 0,5% Repebilidad (repeability) = 0,1% Histresis (hysteresis) = 0,2% Incerdumbre (uncertainty) = 0,13% Transmisor de caudal digital mulvariable por presin diferencial con compensacin de pre- sin y temperatura Intervalo de medida (range) = 0-2,5 hasta 0-1000 mbar (0-1 hasta 0-400 c.d.a.) Alcance (span) de la presin diferencial = 2,5 a 1000 mbar / 1 a 400 c.d.a. Alcance (span) de la presin absoluta = 0,35 a 52 bar / 5 a 750 psia Alcance (span) de la presin relava = 4,1 a 200 bar / 60 a 3.000 psig Exactud (accuracy) de la presin diferencial = 0,1% del alcance Exactud (accuracy) de la presin absoluta = 0,1% del alcance Exactud (accuracy) de la temperatura = 1 C 0,025% del alcance Limites de temperatura ambiente = -40 C a 85 C (-40 F a 185 F) Alimentacin = 85 a 260 V c.a. Seal de salida = 20 mA c.c. o protocolo HART Controlador digital universal Entrada por termopar, sonda de resistencia, mV, 0-5 V, 1-5 V, 0-20 mA c.c., 4-20 mA c.c., reos- tato Exactud (accuracy) = 0,20% del mximo de la escala Resolucin 16 bits Velocidad de muestreo (scan rate) = 6 veces/segundo (166 ms) Resolucin = cuatro veces mayor que la digital de la pantalla Algoritmos de control = todo-nada, proporcional en empo, dplex proporcional en corriente, proporcional en posicin Salida en seal connua lineal: 0 a 20 mA c.c., 4-20 mA c.c., 8 bits en 50 ms o 10 bits en 1 segundo. Salida por rel electromecnico = 5 A resisvo 240 V c.a. mx. 3 A inducvo 240 V c.a. mx. Salida por rel de estado slido = 1 A resisvo 240 V c.a. mx. 50 VA inducvo 240 V c.a. mx. N de alarmas = 2 (5 A resisvo 240 V c.a. mximo) Limites de temperatura ambiente = 0 C a 55 C (32 F a 131 F), 20% a 95% H.R. www.FreeLibros.me
44. 44. Captulo 1. Generalidades 21 Alimentacin = 120/240 V c.a. / 22 a 65 V c.c. Comunicaciones = RS422/485 a 4800, 9600, 19200 o 38400 baudios (bits/seg) Ethernet TCP/IP (10Base-T, 100 m mx.) Infrarrojas (serie infrarroja 1 m, 19200 o 38400 baudios (bits/seg) Consumo = 20 VA mx. (90 a 264 V c.a.), 15 VA mx. (24 V c.a./c.c.) Figura 1.10 Termmetro bimetlico, transmisor digital de caudal, controlador digital. Fuente: WIKA y Honeywell 1.3 Clases de instrumentos Los instrumentos de medicin y de control son relavamente complejos y su funcin puede com- prenderse bien si estn incluidos dentro de una clasicacin adecuada. Como es lgico, pueden exisr varias formas para clasicar los instrumentos, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se considerarn dos clasicaciones bsicas: la primera relacionada con la funcin del instrumento y la segunda con la variable del proceso. www.FreeLibros.me
45. 45. Instrumentacin Industrial 22 1.3.1 En funcin del instrumento De acuerdo con la funcin del instrumento, obtenemos las formas siguientes: Instrumentos ciegos (gura 1.11), son aquellos que no enen indicacin visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presin y temperatura respecvamente) que poseen una escala exterior con un ndice de seleccin de la variable, ya que slo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmu- tador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son tambin instrumentos ciegos los transmisores de caudal, presin, nivel y temperatura sin indicacin. Figura 1.11 Instrumentos ciegos Los instrumentos indicadores (gura 1.12) disponen de un ndice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Segn la amplitud de la escala se dividen en indicadores concntricos y excntricos. Existen tambin indicadores digitales que muestran la variable en for- ma numrica con dgitos. Figura 1.12 Instrumentos indicadores Los instrumentos registradores (gura 1.13) registran con trazo connuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de grco rectangular o alargado segn sea la forma del grco. Los registradores de grco circular suelen tener el grco de 1 revolucin en 24 horas mientras que en los de grco rectangular la velocidad normal del grco es de unos 20 mm/hora. A sealar que los registradores sin papel (paperless recorders) enen un coste de operacin reduci- do, una mejor exactud y pueden incorporar funciones de captura de datos, lo que los hace ideales para procesos disconnuos (batch process). Se pueden conectar a una red LAN, lo que permite un fcil acceso de los datos a los varios departamentos de la empresa. www.FreeLibros.me
46. 46. Captulo 1. Generalidades 23 Figura 1.13 Instrumentos registradores (circular y rectangular sin papel). Fuente: Honeywell Los sensores captan el valor de la variable de proceso y envan una seal de salida predeterminada. El sensor puede formar parte de otro instrumento (por ejemplo, un transmisor) o bien puede estar separado. Tambin se denomina detector o elemento primario (gura 1.14) por estar en contacto con la variable, con lo que uliza o absorbe energa del medio controlado para dar, al sistema de medicin, una indicacin en respuesta a la variacin de la variable. El efecto producido por el ele- mento primario puede ser un cambio de presin, fuerza, posicin, medida elctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la varia- cin de presin del uido que los llena y en los de termopar se presenta una variacin de fuerza electromotriz. Figura 1.14 Sensores y elementos primarios Los transmisores (gura 1.15) captan la variable de proceso a travs del elemento primario y la transmiten a distancia en forma de seal neumca de margen 3 a 15 psi (libras por pulgada cua- drada) o electrnica de 4 a 20 mA de corriente connua o digital. La seal neumca de 3 a 15 psi equivale a 0,206-1,033 bar por lo cual, tambin se emplea la seal en unidades mtricas 0,2 a 1 bar. Asimismo, se emplean seales electrnicas de 1 a 5 mA c.c., de 10 a 50 mA c.c. y de 0 a 20 mA c.c., si bien la seal normalizada es de 4-20 mA c.c. La seal digital es la ms ampliamente ulizada y es apta directamente para las comunicaciones, ya que uliza protocolos estndar. www.FreeLibros.me
47. 47. Instrumentacin Industrial 24 Figura 1.15 Transmisores El sensor puede formar parte integral, o no, del transmisor; el primer caso lo constuye un trans- misor de temperatura de bulbo y capilar y el segundo un transmisor de caudal con la placa oricio como elemento primario. Los transductores reciben una seal de entrada funcin de una o ms candades sicas y la con- vierten modicada o no a una seal de salida, es decir, convierten la energa de entrada de una forma a energa de salida en otra forma. Son transductores, un rel, un elemento primario, un transmisor, un converdor PP/I (presin de proceso a intensidad), un converdor PP/P (presin de proceso a seal neumca), etc. Los converdores son aparatos que reciben una seal de entrada neumca (3-15 psi) o electrnica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y despus de modicarla (converrla) envan la resul- tante en forma de seal de salida estndar. Ejemplo: un converdor P/I (seal de entrada neumca a seal de salida electrnica, un converdor I/P (seal de entrada elctrica a seal de salida neum- ca). Conviene sealar que a veces se confunde converdor con transductor. Este lmo trmino es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una seal de instrumentos. Los receptores reciben las seales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los re- ceptores controladores envan otra seal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en seal neumca o 4-20 mA c.c. en seal electrnica, que actan sobre el elemento nal de control. Los controladores (gura 1.16) comparan la variable controlada (presin, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una accin correcva de acuerdo con la desviacin. La variable contro- lada la pueden recibir directamente como controladores locales o bien indirectamente en forma de seal neumca, electrnica o digital procedente de un transmisor. El elemento nal de control (gura 1.17) recibe la seal del controlador y modica su posicin variando el caudal de uido. En el control neumco, el elemento suele ser una vlvula neumca o un servomotor neum- co que efectan su accin completa de 3 a 15 psi (0,2-1 bar). En el control electrnico o digital, la vlvula o el servomotor anteriores son accionados a travs de un converdor de intensidad a presin (I/P) o seal digital a presin que convierte la seal electrnica de 4 a 20 mA c.c. o digital a neumca 3-15 psi. www.FreeLibros.me
48. 48. Captulo 1. Generalidades 25 Figura 1.16 Controladores Figura 1.17 Elemento final de control En el control elctrico el elemento suele ser una vlvula motorizada que efecta su carrera comple- ta accionada por un servomotor elctrico. En el control electrnico y, en parcul