INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL 1CLASE # 1TTULO: DEFINICIONES OBJETIVOS

Adquirir conocimientos acerca de los componentes de un proceso.INTRODUCCIN:La Instrumentacin es el grupo de elementos que sirven para medir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en ste.

El instrumento ms conocido y utilizado es el reloj, el cual nos sirve para controlar el uso eficaz de nuestro tiempo.

En otras palabras, la instrumentacin es la ventana a la realidad de lo que esta sucediendo en determinado proceso, Lo que servir para determinar si el mismo va encaminado hacia donde deseamos, y de no ser as, podremos usar la instrumentacin para actuar sobre algunos parmetros del sistema y proceder de forma correctiva.

La instrumentacin es lo que ha permitido el gran avance tecnolgico de la ciencia actual en casos tales como: los viajes espaciales, la automatizacin de los procesos industriales y mucho otros de los aspectos de nuestro mundo moderno; ya que la automatizacin es solo posible a travs de elementos que puedan sensar lo que sucede en el ambiente, para luego tomar una accin de control pre-programada que actu sobre el sistema para obtener el resultado previsto. DEFINICIN DE PROCESO

Se entiende por proceso a todo desarrollo sistemtico que conlleva una serie de pasos ordenados, los cuales se encuentran estrechamente relacionados entre s y cuyo propsito es llegar a un resultado preciso, de forma general el desarrollo de un proceso conlleva una evolucin en el estado del elemento sobre el que se est aplicando dicho tratamiento hasta que este desarrollo llega a su fin. En este sentido, la industria se encarga de definir y ejecutar el conjunto de operaciones materiales diseadas para la obtencin, transformacin o transporte de uno o varios productos naturales.

PROCESO INDUSTRIAL

El objeto de todo proceso industrial ser la obtencin de un producto final, de unas caractersticas determinadas de forma que cumpla con las especificaciones y niveles de calidad exigidos por el mercado, cada da ms restrictivos. Esta constancia en las propiedades del producto slo ser posible gracias a un control exhaustivo de las condiciones de operacin, ya que tanto la alimentacin al proceso como las condiciones del entorno son variables en el tiempo. La misin del sistema de control de proceso ser corregir las desviaciones surgidas en las variables de proceso respecto de unos valores determinados, que se consideran ptimos para conseguir las propiedades requeridas en el producto producido.

El sistema de control nos permitir una operacin del proceso ms fiable y sencilla, al encargarse de obtener unas condiciones de operacin estables, y corregir toda desviacin que se pudiera producir en ellas respecto a los valores de ajuste.

Las principales caractersticas que se deben buscar en un sistema de control sern:

1. Mantener el sistema estable, independiente de perturbaciones y desajustes.

2. Conseguir las condiciones de operacin objetivo de forma rpida y continua.

3. Trabajar correctamente bajo un amplio abanico de condiciones operativas.

4. Manejar las restricciones de equipo y proceso de forma precisa.

COMPONENTES DE UN PROCESO

En todo proceso se presenta una causa y un efecto (causalidad) como se puede observar en la figura 1.1, las causas representan las variables de entradas y los efectos son aquellos que genera el proceso como respuesta a las variables de entrada.

Figura 1.1. Causalidad del Proceso.

DEFINICIN DE VARIABLE

Las cantidades o caractersticas que se miden (las cuales sirven de base de control) se denominan variables, recurrentemente reciben el nombre de variables de medicin, variables de instrumentacin o variables de proceso.

VARIABLES DE PROCESO. Las entradas y salidas de un proceso son denominadas variables, debido a que estn interrelacionadas con el mismo en una forma esttica y/o dinmica. Para nuestros fines es importante clasificar los diferentes tipos de variables que intervienen en un proceso, estas son: variables manipuladas, variables controladas, variables no controladas y perturbaciones.

VARIABLES MANIPULADAS: Variables que nosotros podemos cambiar o mover para garantizar que la variable controlada presente el valor deseado.

VARIABLES CONTROLADAS: Variables que queremos controlar, bien sea tratando de mantenerlas constantes (Control Regulatorio) o tratando de seguir alguna trayectoria deseada, ejemplos de estas pueden ser, flujos, composiciones, temperaturas, presin, nivel, etc.

VARIABLES NO CONTROLADAS: Son aquellas variables sobre las cuales no se ejerce control, en algunos casos estas variables no afectan o no ejercen ningn efecto sobre el proceso.

PERTURBACIONES: Flujos, temperaturas, composiciones que entran al proceso (pueden ser de salida algunas veces). No todo el tiempo pueden ser medidas, pero el sistema de control debe ser capaz de regular el proceso en presencia de ellas (premisa que en algunas ocasiones no se logra), tales como temperaturas, presin, concentracin, etc.

COMPONENTES BSICOS DE UN SISTEMA DE CONTROL. En los procesos industriales encontramos ciertas convenciones y arreglos en los sistemas de control as como la distribucin de dispositivos de medidas y funciones de control en varias piezas de hardware.

Elemento primario de medida (Sensores): Unsensores un dispositivo capaz de detectar magnitudes fsicas o qumicas, llamadas variables de instrumentacin, y transformarlas en variables elctricas. Las variables de instrumentacin pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumnica, distancia, aceleracin, inclinacin, desplazamiento, presin, fuerza, torsin, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud elctrica puede ser unaresistencia elctrica(como en unaRTD), unacapacidad elctrica(como en unsensor de humedad), unaTensin elctrica(como en untermopar), unacorriente elctrica(como en unfototransistor), etc.Transmisores: Los transmisores son dispositivos que se conectan al elemento primario en algunos casos se encuentra integrado al sensor, el mismo produce la seal para la transmisin. Ellos presentan una constante de tiempo y un tiempo muerto, que depende del tipo de transmisor y de la variable que est midiendo. En el caso de los transmisores neumticos la seal transmitida es de 3 a 15 psi, y en el caso de los transmisores electrnicos dicha seal es de 4 a 20 mA.

Controlador: Es el encargado de decidir el tipo de accin sobre el elemento final de control. El controlador tiene dos funciones esenciales:

Comparar la variable medida con la de referencia deseada (punto de operacin o Set Point), para determinar el error que existe entre ellas.

Enviar una seal al elemento final de control con el objeto de modificar su accin en el sentido adecuado para reducir el error.

Elemento final de control (Actuador): Un elemento final de control es un mecanismo que altera el valor de la variable manipulada en respuesta a una seal de salida del dispositivo automtico; tpicamente recibe una seal del controlador y manipula un flujo de material o energa para el proceso. El elemento final puede ser una vlvula de control, variadores de frecuencia y motores elctricos, una servovlvula, un rel, elementos calefactores de carcter elctricos o un amortiguador.

TIPOS DE CONTROL DE UN PROCESO:

Control en lazo abierto:

Las seales de mando son independientes de los rganos receptores

El sistema de control no recibe informacin del comportamiento del proceso

Control en lazo cerrado:

Las seales de mando dependen de los rganos receptores

Existe una realimentacin a travs de los sensores al sistema de control

CLASIFICACIN DE LAS VARIABLES DE MEDICINLas caractersticas que se miden, las variables de medicin, se han clasificado segn el campo a la cual estn dedicados, as entonces se pueden establecer:

a. Variables trmicas

Las variables trmicas se refieren a la condicin o carcter de un material que depende de su energa trmica. b. Variables de radiacin

Las variables de radiacin se refieren a la emisin, propagacin y absorcin de energa a travs del espacio o de algn material en la forma de ondas; y por extensin, la emisin, propagacin y absorcin corpuscular. Deben incluir las variables fotomtricas (color, brillo, reflectancia, etc.) relacionadas con la luz visible y las variables acsticas que incluyen los sonidos perceptibles y las ondas imperceptibles que se propagan a travs de cualquier medio, tales como las ondas ultrasnicas.

c. Variables de fuerza

Las variables de fuerza son aquellas cantidades fsicas que modifican la posicin relativa de un cuerpo, la modificacin puede incluir hasta la alteracin de las dimensiones en forma permanente (deformaciones plsticas) o en forma transitoria (deformaciones elsticas), las fuerzas pueden tener un carcter esttico (peso propio) o dinmico, pueden producir desplazamientos y/o deformaciones lineales, flexionantes y/o torsionantes.

Las cargas que representan inters son las fuerzas totales, momentos flexionantes, momentos o par de torsin, la presin o vaco (variable dependiente de la fuerza y del rea sobre la que acta).

d. Variables de velocidad

Estas variables estn relacionadas con la velocidad a la que un cuerpo se mueve hacia o en direccin opuesta a un punto de referencia fijo. El tiempo siempre es uno de los componentes de la variable velocidad, el trmino velocidad se asocia a un fluido a travs del flujo o caudal, en caso de cuerpos se puede apreciar la rapidez con que el cuerpo recorre una medida por unidad de tiempo, la medida puede ser lineal o angular. La variable velocidad puede tambin cambiar en el tiempo dando origen a otra variable representada por la aceleracin.

e. Variables de cantidad

Las variables de cantidad se refieren a la cantidad total de material que existe dentro de ciertos lmites especficos, as por ejemplo: la masa es la cantidad total de materia dentro de lmites especficos. En este caso, el peso es la medida de la masa en base a la atraccin de la gravedad.

f. Variables de tiempo

Las variables de tiempo son las medidas del lapso transcurrido, es la duracin de un evento en unidades de tiempo, la cantidad de periodos que se repiten en una unidad de tiempo se define como la frecuencia, la cual por lo general se mide en Hertz.

g. Variables de propiedades fsicas

Las variables de propiedades fsicas se refieren a las propiedades fsicas de sustancias, sin considerar aquellas que estn relacionadas con la masa y la composicin qumica. Por ejemplo:

Densidad y Peso Especfico: Por definicin la densidad es la cantidad de masa de una materia contenida en una medida de volumen unitario, mientras que el peso especfico es la relacin entre la densidad del material y la densidad del agua a condiciones especificadas.

Humedad: Es la cantidad de vapor de agua en la atmsfera. La humedad absoluta es el peso de agua en la unidad de volumen, en algunas ocasiones se expresa en trminos de la presin del vapor de agua. La humedad relativa es la relacin entre la presin existente del vapor de agua en cierta atmsfera y la presin del vapor de agua saturado a la misma temperatura. El contenido de humedad es la cantidad de agua libre que se encuentra en una sustancia.

Viscosidad: Es la resistencia que ofrece un fluido a su deformacin por corte.

Caractersticas estructurales: Son las propiedades cristalinas, mecnicas o metalrgicas de las sustancias. Dureza, ductilidad, estructura metalrgica, etc.

h. Variables de composicin qumica

Son las propiedades qumicas de las sustancias referidas a su composicin, a su acidez o alcalinidad.

i. Variables elctricas

Las variables elctricas son las necesarias para evaluar energa elctrica, por ejemplo: diferencia de potencial elctrico entre dos puntos, corriente elctrica que circula por un conductor (impedancia), resistencia que ofrece un elemento al paso de corriente (resistividad), capacidad de un cuerpo en retener energa elctrica (capacitancia) o inducir campos magnticos (inductancia).

ERRORES DE MEDICINLa presencia universal de lo incierto en las mediciones fsicas debe reconocerse como punto de partida en el tratamiento de los errores en los sistemas de medicin. El error se hace presente por el sistema de medicin adoptado y por los patrones empleados para la calibracin del instrumento de medida.

Definicin de error

La magnitud de cualquier cantidad fsica que se desea medir estar integrado por un valor, formado en cierta unidad seleccionada de forma adecuada y de un valor numrico asociado.

Tipos de medicin

Cuando se consideran y valoran los errores de medicin, es de utilidad mantener en mente el esquema de medicin empleado, a continuacin se describen algunos de los tipos de medicin ms comunes:

a. Comparacin directa

La medicin puede consistir de la comparacin entre la cantidad que se mide con un patrn de la misma naturaleza fsica. En tales casos, la relacin entre, o la diferencia del patrn con respecto a la magnitud desconocida es lo que se determina. Como ejemplo: El puente de Wheatstone para determinar el valor de una resistencia en trminos de una resistencia y de una relacin conocida.

b. Ajuste hasta la igualdad

Una magnitud conocida se ajusta mediante cantidades conocidas hasta que se iguala a la desconocida. Ejemplo: Determinacin de la masa por medio de una balanza.

FUENTES DE ERRORCualquiera que sea el esquema de medicin que se utilice, el valor numrico asignado como resultado de la medicin para describir la magnitud de la variable medida tendr cierto error de mayor o menor grado, es decir existir cierta desviacin con respecto al valor real de la cantidad; el arte de las mediciones consiste en la reduccin de los errores hasta lmites permisibles adecuados al propsito. A los efectos de conocer la exactitud de los instrumentos se mantienen patrones estndar para muchas magnitudes, por ejemplo: El National Bureau of Standards en Washington, Estados Unidos, mantienen modelos primarios que generan los patrones de medida que se consideran exactos para la apreciacin de la resistencia y voltaje, en Sevres, Francia se encuentra la Oficina Internacional de Pesos y Medidas donde esta una barra mtrica y un kilogramo patrn. Los instrumentos de medicin mientras ms cercana sea su apreciacin al valor real se dir que son ms precisos, en equipos de laboratorio se pueden conseguir aparatos de medicin con incertidumbre del valor real cercana a 0.01% y menores. Adems de los errores que por necesidad resultan de la calibracin defectuosa del sistema de medicin, existe cierto nmero de fuentes de procedencia de errores, los cuales se detallan a continuacin:

a. Ruido en las mediciones

El ruido es cualquier seal que no transmite ninguna informacin de utilidad. Las perturbaciones extraas generadas en los sistemas de medicin mismos o procedentes del exterior por lo general constituyen factores subordinados en contra de los cuales debe efectuarse la lectura de la seal.

Ejemplo: La realimentacin de la seal medida (feedback) en el caso de la radio, genera ruidos incmodos, la vibracin o desplazamiento repentino de la seal mvil puede generar sumatoria de ondas (resonancia) en la medicin. Los ruidos son corregibles a partir de su fuente de procedencia, en muchos casos deben emplearse filtros de carcter electrnico. b. Tiempo de respuesta

El tiempo de respuesta en un sistema de medicin a una seal tambin puede contribuir a la incertidumbre de la medicin. Si la seal no es constante en su valor, resultar el retraso de la respuesta del sistema en cuanto a la indicacin cuyo valor depende de una secuencia de valores del medio estimulante dentro de cierto intervalo de tiempo.

C. Limitaciones de diseo

Las limitaciones y defectos en el diseo y construccin de los sistemas de medicin tambin constituyen factores de incertidumbre, as por ejemplo, en los sistemas que poseen partes mecnicas, la friccin contribuye con cierto grado de amortiguamiento, en los sistemas no aislados un campo magntico puede tambin ser factor de alteracin, en equipos que requieren un cambio de energa proveniente de la misma fuente que se desea medir, el valor de la variable que se mide quedar afectada por esta ltima, en los sistemas que emplean energa proveniente de otra fuente de suministro auxiliar, el valor de la variable medida puede quedar alterado por el acoplamiento al sistema de medida y el consiguiente retorno de energa.

d. Errores de observacin y de interpretacin

Los errores personales en la observacin, interpretacin y registro de los datos son fuente de incertidumbre en cuanto a las mediciones. A continuacin se describen errores comunes en los sistemas de medicin:

Errores de paralaje: En el caso de dispositivos de toma de datos por un operador, es difcil no cometer errores de paralaje, pues dependiendo de la posicin relativa del operador respecto al cristal la lectura tendr distintos valores.

Interpolacin lineal de escalas: Cuando la escala del dispositivo est divida en subdivisiones relativamente grandes y es necesario apreciar un valor entre las dos subdivisiones depender de una interpolacin entre los valores extremos y la distancia lineal entre las subdivisiones al punto de ubicacin del indicador.

Influencia personal del observador: Algunos operadores pueden apreciar que el indicador se encuentra exactamente en la mitad de la distancia geomtrica entre dos subdivisiones, pero cuando el indicador se desplaza ligeramente ya la apreciacin depender de la experiencia, de tal manera que dos operadores pueden dar valores distintos a una misma medida.

Equivocaciones: Las fallas en el libro de anotaciones debidas a la escritura incorrecta de un dgito o transposicin de dgitos son errores del observador.

CLASIFICACIN DE LOS ERRORESAl determinar la magnitud de la incertidumbre o error en el valor asignado a una cantidad resultante de una medicin, es necesario establecer la diferencia entre dos clases de error:

a. Errores sistemticos

El error sistemtico es aquel que se repite constantemente cada vez que se realiza el experimento.

Uno de estos es debido a la calibracin defectuosa del sistema de medicin o al cambio en el sistema que provoque cierta desviacin entre la medida apreciada y el valor real. Los errores sistemticos los puede provocar la prdida o envejecimiento de los resortes y diafragmas en los sistemas de medicin de presin, tambin se puede observar la reduccin de potencia de un magneto debido al choque o cambio causado con el tiempo.

Los errores sistemticos son difciles de apreciar, para valorarlos se deben comparar valores definidos en aquellos parmetros de la variable que se mide que estn bajo el control del operador y utilizar cuando es posible diferentes instrumentos y/o programas de calibracin y certificacin permanente. A veces es posible medir algo cuya magnitud se conoce con precisin, tal medicin constituye una comprobacin del sistema de medicin y sirve de ayuda para la valoracin de los errores sistemticos.

b. Errores casuales

Los errores casuales son aquellos que se presentan en forma accidental y cuya magnitud y signo flucta de tal modo que no pueden predecirse a partir del conocimiento del sistema de medicin y de las condiciones en que se efecta la medicin.