INGENIERÍA DE PROCESOS: octubre 2018

Instrumentación es el arte de medir las variables de proceso y parámetros y se trata de controlar o regular estas variables de proceso.

La instrumentación industrial es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos para apoyar a las personas en la medición, regulación, observación, transformación, ofrecer seguridad, entre otras, de una variable dada en un proceso productivo.

SISTEMA DE CONTROL DE PROCESOS

A un sistema de regulación automático en el que la salida es una variable como temperatura, presión, flujo, nivel de líquido o pH, se le denomina sistema de control de proceso. El control de proceso tiene amplia aplicación en la industria.

Los sistemas de control se encargan de la regulación automática de operaciones, como de la integración y coordinación de estas operaciones en un sistema de producción global.

En estos sistemas con frecuencia se usan controles programados, por ejemplo, el programa establecido puede consistir en elevar la temperatura a determinado valor durante un intervalo de tiempo definido, y luego reducirla a otra temperatura prefijada durante otro periodo.

El sistema de control de proceso nos permitirá una operación del proceso más fiable y sencilla, al encargarse de obtener unas condiciones de operación estables, y corregir toda desviación que se pudiera producir en ellas respecto a los valores de ajuste. Las principales características que se deben buscar en un sistema de control serán:

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VARIABLE

Son aquellas que pueden cambiar las condiciones de un proceso industrial ya sean, sus aspectos físicos, químicos o ambos según la composición de la sustancia, que pueden afectar al producto.

En todo proceso existen diversas variables, las cuales pueden afectar la entrada o salida del proceso. Temperatura, presión, los caudales de entrada y salida del sistema, la viscosidad del compuesto, densidad, son las variables más comunes en los procesos industriales, las cuales son monitoreadas por medio de la instrumentación del proceso.

VARIABLE MANIPULADA

Es la señal sobre la cual actúa o se modifica con el fin de mantener la variable controlada en su valor.

Esta cambia continuamente para hacer que la variable controlada vuelva al valor deseado.

VARIABLE CONTROLADA

Es aquella que se mantiene en una condición específica deseada, es la que se quiere controlar.

Ejemplo:

VARIABLE DE PERTURBACIÓN

Son señales que tienden a afectar adversamente el valor de la variable controlada un sistema, pero que no son controladas por el sistema de control.

Las perturbaciones pueden ser:

Perturbaciones Internas: Cuando se generan dentro del sistema.
Perturbaciones Externas: Cuando se generan fuera del sistema y constituye una entrada.

Perturbaciones de proceso

Las perturbaciones del proceso, son aquellas que afectan el control del proceso. Dan siempre fluctuaciones en la señal de salida del proceso, no importando si el sistema está realimentado o no.

REPETIBILIDAD

La repetibilidad puede ser expresada cuantitativamente en términos de la dispersión característica de los resultados. La misma se define como la proximidad de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas del mismo mensurando bajo las mismas condiciones de medición, donde:

1. Estas condiciones son llamadas condiciones de repetibilidad.

2. Las condiciones de repetibilidad incluyen: el mismo procedimiento de medición, el mismo observador, el mismo instrumento de medición, utilizado bajo las mismas condiciones, el mismo lugar, repetición en un período corto de tiempo.

EXACTITUD

Se define como la proximidad entre el valor medido y el valor “verdadero” de la medida. Así pues, una medición es más exacta cuanto más pequeño es el error de la medida. Además se puede definir en el grado de concordancia entre el valor verdadero y el experimental. Un aparato es exacto si las medidas realizadas con él son todas muy próximas al valor "verdadero" de la magnitud medida.

PRECISIÓN

Es el grado de concordancia entre una medida y otras de la misma magnitud realizadas en condiciones sensiblemente iguales. Un aparato es preciso cuando la diferencia entre diferentes medidas de una misma magnitud sea muy pequeña.

El VIM, (Vocabulario Internacional de Metrología), define el concepto de precisión como la proximidad existente entre las indicaciones o los valores medidos obtenidos en mediciones repetidas de un mismo objeto, o de objetos similares, bajo condiciones específicas.

Diferencias entre exactitud y precisión:

·  La exactitud define la capacidad de un instrumento de medición de reflejar la magnitud real de un objeto.
·    La precisión es el concepto que define la capacidad que tiene un instrumento de ofrecer el mismo resultado a lo largo de mediciones bajo las mismas condiciones.
·    La precisión es una función de los errores y la exactitud dependerá de los errores sistemáticos ocurridos durante una medición.

LINEALIDAD

Según el vocabulario electrónico internacional es la Capacidad de un instrumento de medición para proporcionar una indicación que tenga una relación lineal con una magnitud determinada distinta de una magnitud influenciada

Cantidad de cambio de error a través del rango de medición de un instrumento

Por ejemplo la proporcionalidad entre la concentración del analito y la respuesta del método en un intervalo o rango de concentraciones.

INCERTIDUMBRE

Es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. La incertidumbre es una estimación del posible error en una medida y presenta la probabilidad de que el valor verdadero esté dentro de un rango de valores indicado.

Tipos de incertidumbre

· Incertidumbre en la medición

· Incertidumbre en el proceso

· Incertidumbre en el modelo

· Incertidumbre en la estimación

· Incertidumbre en la implementación

CONTROLADOR

Instrumento que compara el valor medido con el valor deseado, en base a esta comparación calcula un error y actuar a fin de corregir este error.

Entonces la función del controlador es de comparar lo que está sucediendo en el proceso, con lo que realmente se desea que suceda en él, para posteriormente, en base a la diferencia, envié una señal al proceso que tienda a corregir las desviaciones.

ACTUADOR

Es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: Presión neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide).

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

Los elementos finales de control son mecanismos que modifican el valor de una variable que ha sido manipulada como respuesta a una señal de salida desde un dispositivo de control automático; es decir, se encarga de manipular alguna característica del proceso según lo ordenado por el controlador. Según el tipo de proceso, hay dispositivos que reciben señales de control del tipo discretas, tipo batch o contínuas.

Los elementos finales de control pueden ser una válvula de control, variadores de frecuencia y motores eléctricos, una servoválvula, un relé, elementos calefactores de carácter eléctrico o un amortiguador.

SENSOR

Sensor es un dispositivo que está capacitado para detectar acciones o estímulos externos y responder en consecuencia, un objeto capaz de variar una propiedad ante magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas con un transductor en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: intensidad lumínica, temperatura, distancia, aceleración, inclinación, presión, desplazamiento, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc

Existen diferentes tipos de sensores, en función del tipo de variable que tengan que medir o detectar:

· Ópticos.

· Térmicos.

· De humedad.

· Magnéticos.

· De infrarrojos, etc

TRANSMISOR

El transmisor es un instrumento que capta la variable en proceso y la transmite a distancia a un instrumento indicador o controlador. Es un equipo que emite una señal, código o mensaje a través de un medio. Para lograr una sesión de comunicación se requiere: un transmisor, un medio y un receptor.

Existen varios tipos de señales de transmisión:

TRANSDUCTOR

Transductores son elementos que transforman una magnitud física en una señal eléctrica. Se pueden clasificar en dos grupos: Activos y pasivos. Son transductores activos los que hay que conectar a una fuente externa de energía eléctrica para que puedan responder a la magnitud física a medir como por ejemplo las fotoresistencias y termoresistencias, y son pasivos los que directamente dan una señal eléctrica como respuesta a la magnitud física como los fotodiodos y las sondas de pH.

ACONDICIONADOR

Un acondicionador de señales es un dispositivo que convierte un tipo de señal electrónica en otro tipo de señal. Su uso principal es convertir una señal que puede ser de difícil lectura mediante instrumentación convencional en un formato que se puede leer más fácilmente. Al ejecutar esta conversión ocurren numerosas funciones. Entre ellas:

Amplificación: Cuando una señal se amplifica, se incrementa la magnitud de la señal.
Aislamiento eléctrico: El aislamiento eléctrico rompe la ruta galvánica entre la señal de entrada y la señal de salida.
Linearización: Convertir a una señal de entrada no lineal a una señal de salida lineal.
Compensación de unión fría: Se usa para termopares.
Excitación: Muchos sensores requieren una forma de excitación para funcionar.

MICRO CONTROLADOR

Un microcontrolador es un circuito integrado digital que puede ser usado para muy diversos propósitos debido a que es programable. Está compuesto por una unidad central de proceso (CPU), memorias (ROM y RAM) y líneas de entrada y salida (periféricos).

Un microcontrolador puede usarse para muchas aplicaciones algunas de ellas son: manejo de sensores, controladores, juegos, calculadoras, agendas, avisos lumínicos, secuenciador de luces, cerrojos electrónicos, control de motores, relojes, alarmas, robots, entre otros. El límite es la imaginación.

REGISTRADOR

Un registrador es un dispositivo electrónico que registra datos en el tiempo o en relación a la ubicación por medio de instrumentos y sensores propios o conectados externamente. Casi todos están basados en microcontroladores. Por lo general son pequeños, con pilas, portátiles, y equipados con un microprocesador, memoria interna para almacenamiento de datos y sensores. Algunos registradores de datos se comunican con un ordenador personal y utilizan software específico para activar el registrador de datos, ver y analizar los datos recogidos, mientras que otros tienen un dispositivo de interfaz local (teclado, pantalla LCD) y puede ser utilizado como un dispositivo independiente.

CONVERTIDOR

Son instrumentos que reciben una señal de entrada procedente de un instrumento y después de modificarla, envían la resultante en forma de salida estándar.

Existen convertidores de señal que transforman un rango de frecuencia de entrada en una señal analógica. Estos convertidores de señal son muy sencillos de programar y de controlar. Otros convertidores de señal transforman señales de entrada analógicas en señales analógicas.

CIRCUITO ABIERTO O LAZO ABIERTO

Son aquellos en los que la señal de salida no afecta al funcionamiento del sistema total. Por ejemplo: un horno de microondas que carece de sensor de temperatura de los alimentos (es el que permite calcular automáticamente el tiempo y el nivel de cocción) al cocinar, el artefacto emitirá las microondas a lo largo del tiempo fijado al iniciarse el proceso de cocción, sin tener en cuenta si el alimento está totalmente cocido o no.

En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con la entrada de referencia. Por tanto, a cada entrada de referencia le corresponde una condición operativa fija; como resultado, la precisión del sistema depende de la calibración. Ante la presencia de perturbaciones, un sistema de control en lazo abierto no realiza la tarea deseada.

ELEMENTOS BÁSICOS

SEÑAL DE MANDO: indicación que da una persona haciendo que funcione el sistema.

UNIDAD DE CONTROL: tiene un componente principal, llamado transductor, capaz de traducir o interpretar la señal de mando establecer el valor de la señal de referencia (entrada)

ENTRADA: señal producida por el transductor, que es interpretada por el sistema y lo hace funcionar

UNIDAD OPERATIVA O DINÁMICA: es la parte del sistema que lleva a cabo el progreso.

SALIDA: es un resultado del funcionamiento del sistema, puede tratarse de información o un producto terminado.

REGULADOR-CONTROLADOR: dispositivo encargado de controlar el estado de carga de las baterías así como regular la intensidad de carga.

CIRCUITO CERRADO O LAZO CERRADO

Los sistemas de control realimentados se denominan también sistemas de control de lazo cerrado. En la práctica, los términos control realimentado y control en lazo cerrado se usan indistintamente.

En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la salida de realimentación (que puede ser la señal de salida misma o una función de la señal de salida y sus derivadas o/y integrales) a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor conveniente. El término control en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentando para reducir el error del sistema.

ELEMENTOS BÁSICOS

ELEMENTO DE COMPARACIÓN: Este elemento compara el valor requerido o de referencia de la variable por controlar con el valor medido de lo que se obtiene a la salida, y produce una señal de error la cual indica la diferencia del valor obtenido a la salida y el valor requerido.

ELEMENTO DE CONTROL: Este elemento decide que acción tomar cuando se recibe una señal de error.

ELEMENTO DE CORRECCIÓN: Este elemento se utiliza para producir un cambio en el proceso al eliminar el error.

ELEMENTO DE PROCESO: El proceso o planta, es el sistema dónde se va a controlar la variable.

ELEMENTO DE MEDICIÓN: Este elemento produce una señal relacionada con la condición de la variable controlada, y proporciona la señal de realimentación al elemento de comparación para determinar si hay o no error.