GUIA DE DISEÑO DE SISTEMAS

DE CONTROL

INTRODUCCIÓN

La unidad de sistema de control tiene como objetivo principal desarrollar

las habilidades y destrezas del estudiante de la Universidad Bolivariana de

Venezuela, orientados al estudio de los principios fundamentales en los

diferentes sistemas de medición e instrumentación, como base para la

aplicación de control de procesos, en el campo de la industria y la comunidad,

mediante la utilización de métodos de medición de control de variables como lo

son: la temperatura, la presión, la velocidad de un equipo rotativo (r.p.m, Hz,

etc.), cantidad de fluido y volumen, así como también, aquellos elementos de

medición en el área de campo, establecidos y fabricados bajos normas

internacionales y nacionales. Aunque la mayoría de los instrumentos de

medición, están fabricados para medir digitalmente y otros de forma

analógicas, cada uno de estos instrumentos de medición poseen un margen de

error o tolerancia de trabajo para medir la variables en los sitios de trabajos de

las industrias, dependiendo la utilidad de éste. Los puntos de cada trabajo que

se realizan serán evaluados con la más mínima precaución posible, con la

finalidad de preservar la seguridad del trabajador y del medio ambiente. Por

ejemplo, en las industrias, la medición de nivel es importante, porque de alguna

otra forma controla el funcionamiento correcto del proceso hasta la obtención

del producto final. Cabe decir, que el controlar es aceptado como una actividad

desde todas las directrices de la industria hacia el campo de proceso dentro de

la misma.

La presente unidad curricular está orientada hacia cuatros capítulos de

estudios:

El Capítulo I, se refiere a la introducción de la instrumentación, esta parte de la

unidad estudia la composición y tipos de medidores de las variables a controlar

y mantener constantes algunas magnitudes. Los instrumentos de medición y

control permiten el mantenimiento y manipulación de estas constantes en

condiciones óptimas que las que el propio operador podría realizar. El Capitulo

II, refiere al estudio de los sistemas de control, en esta parte se debe comparar

el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma de

acción para la respectiva corrección dependiendo de la desviación de la

variable. En los Capítulos III y IV, refiere al estudio y comportamiento de las

variables en los sistemas dinámicos y de aquellos sistemas que presenten la

unidad de control, el elemento final de control y el propio proceso, ya que de

ellos podemos encontrar lazos o bucles abiertos o cerrados. Cada unos de

estos capítulos contiene ejercicios de aplicación en el área que se vaya a

manejar dentro de la industria y fuera de ella. Durante el proceso de

aprendizaje los estudiantes, deben ir resolviendo la complejidad de los

ejercicios para así desarrollar las habilidades que adquiera en el tiempo de

estudio de la unidad curricular.

INDICE

Capítulo I. Introducción a la instrumentación.

1.1 Generalidades de la instrumentación.

a. Campo de medida (rango)

b. Alcance.

c. Error.

d. Incertidumbre de la medida.

e. Exactitud.

f. Precisión.

g. Zona muerta.

h. Sensibilidad.

i. Repetibilidad.

j. Histéresis.

1.2 Medidores

1.2.1 Generalidades de los medidores

1.2.2 Tipos de Medidores: Mecánicos, Eléctricos, Analógicos y Digitales

1.2.3 Medidores de Presión:

a. Unidades y clases de presión.

b. Elementos mecánicos.

c. Elementos electromecánicos.

d. Elementos electrónicos de vacío.

1.2.4 Medidores Volumétricos

a. Instrumentos de presión diferencial.

b. Tubo Pitot.

c. Transmisores de fuelle y de diafragma.

d. Integradores.

e. Tubo anular.

f. Vertederos y venturí.

g. Transductores ultrasónicos.

h. Medidor magnético de caudal.

i. Medidor de disco oscilante.

j. Medidor de pistón oscilante.

k. Medidor rotativo.

l. Remolino y vórtex.

m. Medidor Laser.

n. Medidores volumétricos compensados

o. Medidores térmicos de caudal

p. Medidores de momento angular

q. Medidor de Coriolis

1.2.5 Medición de nivel:

a. Instrumentos de medición directa

b. Instrumentos basados en la presión hidrostática: medidor de membrana, de burbujeo, manométrico y de presión diferencial.

c. Medidor de nivel: de ultrasonidos, de radar, de radiación, de laser y medidor másico de nivel.

1.2.6 Medición de Temperatura:

a. Termómetro de vidrio.

b. Termómetro bimetálico.

c. Termómetro de bulbo y capilar.

d. Termómetros de resistencia.

e. Termopares.

1.3 Válvulas.

1.3.1 Generalidades

1.3.2 Tipos de válvulas:

a. Válvulas con obturador de movimiento lineal: válvula de globo, válvula de ángulo, válvula de tres vías, válvula de compuerta, válvula de jaula, válvula de Y, válvula de cuerpo partido, válvula Saunders, válvula de compresión, entre otras.

b. Válvulas con obturador de movimiento circular: válvula de mariposa, válvula de bola, válvula de movimiento excéntrico rotativo ( camflex), válvula de obturador cilíndrico excéntrico, válvula de macho, válvula de orificio ajustable, válvula de flujo axial, entre otras.

1.4 Símbolos de Instrumentación.

Capítulo II. Introducción a los sistemas de control.

2.1. Introducción a los sistemas de control.

2.2. Definiciones básicas: plantas, procesos, sistemas.

2.3. Perturbaciones.

2.4. Control de realimentación.

2.5. Sistemas de control de realimentación.

2.6. Sistemas de control de procesos.

2.7. Sistemas de control de lazo Cerrado (manual y Automático).

2.8. Sistema de control de lazo abierto

2.9. Comparación entre los sistemas de control de lazo cerrado y de lazo abierto.

2.10. Componentes básicos de un sistema de control.

2.10.1. Sensores.

2.10.2. Transmisores.

2.10.3. Tipos de transmisores: neumáticos, eléctricos, digitales.

CAPITULO I. Introducción a la instrumentación.

Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos

productos, ya que son variados y abarcan varios tipos, como por ejemplo, los

productos derivados del petróleo, los productos alimenticios, la industria de la

cerámica, las centrales hidroeléctricas, las siderúrgicas en fin grandes otras

industrias que el mercado moderno sostiene para el comercio y las

necesidades.

En todos estos procesos es necesario controlar y mantener algunas

magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la

velocidad, la conductividad, la humedad, el punto de rocío, etc. Los procesos

industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías que

son los continuos y los discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en

general las variables, presión, caudal, nivel, temperatura, volumen, etc; ya sea

con valor prefijado o bien digamos con un valor deseado fijo, el otro sería el

valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o

bien guardando una relación determinada con otra variable.

Campo de medida (rango):

Es aquel espectro o conjunto de valores de la variable medida que están

comprendido dentro de los límites superior e inferior de un instrumento dentro

de su capacidad medida. Por ejemplo, el rango de trabajo de un compresor,

entre sus variables directas temperatura, presión y volumen. Otro término muy

utilizado es la rangeabilidad o dinámica de medida que resulta del cociente

entre el valor de medida superior e inferior de un instrumento.

Alcance:

Es la diferencia entre los valores superior e inferior del campo de medida

del instrumento. Por ejemplo, la diferencia de temperatura de un instrumento de

medición.

Error:

Es la diferencia entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el

valor real de la variable medida. En condiciones de régimen permanente para

un proceso, se llamaría error estático. Ahora si las condiciones son dinámicas,

el error varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen

características comunes a los sistemas físicos como lo es la absorción de

energía y requiera tiempo para ser transmitida, lo que da lugar a retardos en la

lectura del instrumento, estos se llama error dinámico ( es la diferencia entre el

valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumento), el valor

depende del tipo de fluido del proceso, de su velocidad, del elemento primerio

termopar, bulbo y capilar, etc. El error medio del instrumento, es la medida

aritmética de los errores en cada punto de la medida determinados para todos

los valores crecientes y decrecientes de la variable medida. Algo muy

importante, cuando se realiza mediciones con varios instrumentos, colocados

unos a continuación de otros en forma de series, el valor final de la medición

estará constituido por los errores propios a cada uno de los instrumentos. El

error total de una medición suele tomarse como la raíz cuadrada de la suma

algebraica de los cuadrados de los errores máximos de los instrumentos, es

decir, la expresión:

∓√a2+b2+c2+d2….

Por ejemplo, el error obtenido al medir el caudal con un diafragma, un

transmisor electrónico de 4-20 mA c.c, un receptor y un integrador electrónicos

es de:

Error del diafragma ………………………………………….2%

Error del transmisor electrónico de 4-20 mA c.c …………0,5%

Error del receptor electrónico ………………………………0,5%

Error del integrador electrónico …………………………….0,5%

error total de la medición=∓√22+0,52+0,52+0,52=2,18%

Incertidumbre de la medida:

Es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente

al verdadero valor de la magnitud medida. En el cálculo de la incertidumbre

interviene la distribución estadística de los resultados de series de mediciones,

las características de los equipos, etc.

i=kσ

i = incertidumbre de la medida

k = factor que depende del nivel de confianza

σ = desviación típica del instrumento indicada por el fabricante

Exactitud:

Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar

lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud medida.

Precisión:

Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento ( intervalo

donde es admisible que se sitúe la magnitud de la medida), y define los límites

de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones

normales de servicio durante un período de tiempo. Existen varias formas de

expresar la precisión de un instrumento:

a.- Tanto por ciento del alcance. Por ejemplo si un instrumento presenta una

capacidad de 500 psi y da una lectura de 250 psi y tiene una precisión de 0,5%

el valor real de presión estará comprendido entre 250 ± 0,5x500/100 = 250±

2,5, es decir, valores entre 247,5 psi y 252,5 psi.

b.- Directamente, en unidades de la variable medida, por ejemplo precisión de

± 1psi.

c.- Tanto por ciento de la lectura efectuada. Por ejemplo: precisión de ± 1% de

250 psi, es decir, ± 2,5 psi.

d.- Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. Ejemplo: precisión

de ± 0,5% de 500 psi = ± 2,5 psi.

e.- Tanto por ciento de la longitud de La escala. Ejemplo: si la escala del

instrumento es de 250 psi, la precisión de ±0,5% representará ±0.75 psi de la

escala.

La precisión varía en cada punto del campo de medida si bien, el

fabricante la especifica en todo el margen del instrumento indicado a veces su

valor en algunas zonas de la escala. Hay que señalar que los valores de

precisión de un instrumento se consideran en general establecidos para el

usuario, es decir, son los proporcionados por los fabricantes de los

instrumentos, además se debe considerar los valores de calibración y de

inspección. Con ello se pretende tener un margen de seguridad para

compensar los efectos de las diferencias de apreciación de las personas que

efectúan la calibración, las diferentes precisiones de los instrumentos de

medida utilizados, las posibles alteraciones debidas al desplazamiento del

instrumento de un punto a otro, los efectos ambientales y de envejecimiento,

etc.

Un ejemplo ilustrativo de la diferencia entre exactitud y precisión es el

siguiente:

Un manómetro de escala de 0-10 bar que repita la medida de 5 bar

muchas veces en las mismas condiciones, dará diferentes lecturas alrededor

de 5 bar, que estarán distribuidas según una curva de campana (curva de

Gauss). El manómetro será tanto más exacto cuanto más esté el valor medio

de las medidas al valor verdadero de 5 bar y será más preciso cuanto menor

sea la dispersión de las medidas. Por lo tanto, los instrumentos de medida

estarán diseñados por los fabricantes para que sean precisos, y como

periódicamente se descalibran, deben ajustarse para que sean exactos.

Zona muerta:

Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la

señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta, viene

dada en tanto por ciento del alcance de la medida. Por ejemplo: Si un

instrumento tiene como medida de la variable el ± 0,2% , su valor estará por

encima y por debajo de su valor de escala.

Sensibilidad:

Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable

que la ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo. Por

ejemplo: si un transmisor electrónico de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar

y la señal de salida de 11,9 a 12,3 mA c.c., la sensibilidad es el cociente:

(12,3−11,9)/(20−4 )

(5,5−5)/10=±0,5mA c .c / ¿̄

Hay que señalar que no se debe confundir la sensibilidad con el término de

zona muerta, son definiciones básicamente distintas que antes era fácil

confundir cuando la definición inicial de la sensibilidad era valor mínimo en que

se ha de modificar la variable para apreciar un cambio medible en el índice o

en la pluma de registro del instrumento.

Repetibilidad:

Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice

o de la señal de salida de instrumento al medir repetidamente valores idénticos

de la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de

variación, recorriendo todo el campo. Se considera en general su valor máximo

(repetibilidad máxima) y se expresa en tanto por ciento del alcance; un valor

representativo es el de ± 0,1%, es importante saber que el término repetibilidad

no incluye la histéresis. Para determinarla, el fabricante comprueba la

diferencia entre el valor verdadero de la variable y la indicación o señal de

salida del instrumento recorriendo todo el campo, y partiendo, para cada

determinación, desde el valor mínimo del campo de medida. De este modo, en

el caso de un manómetro puede haber anotado los datos relacionados en la

siguiente:

Variable Indicación

______________________________ ___________________________

Desde 0 a 0,5 0,502

Desde 0 a 1 1,006

Desde 0 a 1,5 1,509

Desde 0 a 2 2,008

Desde 0 a 2,5 2,506

Desde 0 a 3 3,007

Desde 0 a 3,5 3,503

Desde 0 a 4 4,006

Desde 0 a 4,5 4,507

Desde 0 a 5 5,010

Desde 0 a 5,5 5,505

Desde 0 a 6 6,006

Desde 0 a 6,5 6,501

Desde 0 a 7 7,003

Desde 0 a 7,5 7,504

Desde 0 a 8 8,009

Desde 0 a 8,5 8,508

Desde 0 a 9 9,008

Desde 0 a 10 10,005

______________________ _______________________

La repetibilidad viene dada por la fórmula √ (x¿¿ i−x)2

N¿ resultando:

√ 0,0078519

=0,02 %

Histéresis:

Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el

índice o la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de

medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos,

ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la

medida. Por ejemplo: si en un termómetro de 0-100%, para el valor de la

variable de 40 ° C, la aguja marca 39,9 ° C al subir la temperatura desde 0, e

indica 40,1 al bajar la temperatura desde 100 ° C, el valor de la histéresis es de:

40,1−39,9

100−0.100=±0,2%

Hay que señalar que el término zona muerta está incluido dentro de la

histéresis.

Medidores de presión

Elemento o instrumento

Materiales Presión Precisión Rango Repetitividad Sensibilidad Error

BarómetroAcero

inoxidable6 Bar 0,5 a 1 % 0,1 a 3 mH2 O N/A N/A

Tubo en U Vidrio 10 Bar 0,5 a 1 % 0,2 a 1,2 mH2 O N/A

Tubo Bourdon

Aleaciones de cobre

Hastelloy y monel

6000 Bar 0,5 a 1 % 0,5 a 6000 Bar N/A

Espiral

Aleaciones de cobre

Hastelloy y monel

2500 Bar 0,5 a 1 % 0,5 a 2500 Bar N/A

Helicoidal

Aleaciones de cobre

Hastelloy y monel

5000 Bar 0,5 a 1 % 0,5 a 5000 Bar N/A

DiafragmaNíquel

como de Iconel

2 Bar 0,5 a 1 % 50 mm a 2 Bar N/A

FuelleBronce

fosforoso2 Bar 0,5 a 1 % 100 mm a 2 Bar N/A

Medidores de caudal

Elemento o instrumento

Materiales Precisión RangoTemperatura

máx.Presión máxima

Error

Placa

Metales y plásticos

1-2 % Max/min 3:1 500 °C 400 bar

ToberaMetales y plásticos

0,9-1,5% Max/min 3/:1 500 °C 400 bar

Tubo VenturyMetales y plásticos

0,75 % Max/min 3:1 500 °C 400 bar

Tubo de pitotMetales y plásticos

1,5-4 % Max/min 3:1 500 °C 400 bar

Rotatometro

Metales, plásticos y

vidrio/ceram.1-2 %

Max/min 10:1

250 °C 400 bar

TurbinaMetales,

plásticos y vidrio/ceram.

0,3 %Max/min

15:1250 °C 200 bar

Medidores de Nivel

Elemento o instrumento

Materiales Precisión RangoTemperatura

máx.Presión máxima

Capacidad

Cristal 0,5mm N/A 200 °C 150 bar Limite

Flotador 1-2 % N/A 250 °C 400 bar 0-10 m

Presión diferencial

0,15 % a 0,5 %

N/A 200 °C 150 bar 0,3 m

Ultrasónico 1 % N/A 200 °C 400 bar 0,30 m

Laser 0,5-2 % N/A 1500 °C N/A 0-2 m

Radiación 0,5-2 % N/A 150 °C N/A 0-2,5 m

Conductivo N/A N/A 200 °C 80 bar limitado

Placa de impacto

Metales , teflón,

Fibra, vidrio1 %

Max/min

10:1400 °C 100 bar

Pistón oscilante

Metales 0,2-0,5 %Max/min

5:1150 °C 25 bar

Pistón alternativo

Metales 0,2 %Max/min

5:1100 °C 25 bar

Cicloidal metales 1 %Max/min

10:1150 °C 100 bar

Birrotor metales 0,2 %Max/min

5:160-200 °C 100 bar

CoriolisMetal y

plásticos0,5 %

Max/min

10:1200 °C 400 bar

AxialMetal y

plásticos1 %

Max/min

10:1120 °C 100 bar

VortexMetal y

plásticos1 %

Max/min

10:1400 °C 50 bar

Burbujeo 1 % N/A 200 °C 400 bar Alto. tanque

Manométrico 1 % N/A 60 °C Atm. Alto. tanque

Ultrasonidos 0,5- 1 % N/A 150 °C N/A N/A

Bascula 0,5- 1 % N/A 900 °C N/A N/A

Diafragma 50mm N/A 60 °C N/A N/A

Medidores de temperatura

Elemento o instrumento

Materiales Precisión RangoTemperatura

máx.Presión máxima

Capacidad

Termómetro TGL

Aluminio, vidrio

1.0 -60…+40°C 200 °C N/A N/A

Termómetro bimetálico

Acero inoxidable,

1.0 -30…+60°C 500 °C N/A N/A

Termómetro digital DTM

Acero inoxidable,

poliamida

0,5 -30…+50°C 400 °C N/A N/A

Sensor de temperatura

TSA

Latón, acero inoxidable

N/A -40…°C …150 °C N/A N/A

Termocupla atornillable

TTE-1

Acero inoxidable

N/A -200…+600°C 600 °C N/A N/A

Resistencia LTS_A

Acero inoxidable

N/A -50…+250 °C 250 °C N/A N/A

Termómetro capilares

TNF

Aluminio o acero

inoxidable1.0-1.6 -20…+40 °C 600 °C N/A N/A

Termocupla revestida

Acero inoxidable

N/A -50…+1100°C 1100 °C N/A N/A

Termopozos para

termómetros

Acero inoxidable

N/A N/A N/A 25 bar N/A

Sondas de temperatura

Acero inoxidable

N/A -50…+250 °C 250 °C 10 bar N/A

Termom resistencia.

En línea,

Acero inoxidable

N/A -20…+200 °C 200 °C N/A N/A

aplicación

Transmisores

Elemento o instrumento

Capacidad Precisión RangoTemperatura

máx.Presión máxima

Neumático 3-15 psi 0,5 % 0,2-1 bar N/A N/A

Electrónico convencional

4-20 mA c.c 0,5 % N/a N/A N/A

Electrónico inteligente

4-20 mA c.c 0,2 % N/A N/A N/A

Electrónico inteligente

señal digital4-20 mA c.c 0,1 % N/A N/A N/A

Que es una Válvula:

Una válvula consistirá básicamente en un cuerpo principal dentro del cual

van alojados el obturador y los asientos, elementos que me definirán el paso de

fluido permitido en cada momento.

Tipos de Válvulas

Una clasificación quizás más importante es aquella que caracteriza las

válvulas según la función que van a desempeñar en el sistema. Según la cual

tendremos los siguientes tipos de válvulas:

Control: Regular la presión / caudal.

Cierre por sobre-velocidad del fluido:(como por ejemplo cierre de la

válvula en caso de rotura de la tubería aguas abajo).

Protección a sobrepresiones.

Prevenir el retorno del fluido (válvula de retención o anti-retorno)

Servicio de abrir/cerrar.

Otro tipo de clasificación es de acuerdo al uso

Válvula de compuerta

 La válvula de compuerta supera en número a los otros tipos de válvulas

en servicios en donde se requiera circulación ininterrumpida y poca caída de

presión. Las válvulas de compuerta no se recomiendan para servicios de

estrangulación, porque la compuerta y el sello tienden a sufrir erosión rápida

cuando restringen la circulación y producen turbulencia con la compuerta

parcialmente abierta.

Cuando la válvula está abierta del todo, se eleva por completo la

compuerta fuera del conducto del flujo, por lo cual el fluido pasa en línea recta

por el conducto que suele tener el mismo diámetro que la tubería.

Las características principales del servicio de las válvulas de compuerta

incluyen: cierre completo sin estrangulación, operación poco frecuente y

mínima resistencia a la circulación.

Válvulas de compuerta con bridas.

Válvulas de globo

Se usan para cortar o regular el flujo del líquido y este último es su uso

principal.

Las principales características de los servicios de estas válvulas es que

incluyen operación frecuente, estrangulamiento al grado deseado de cualquier

flujo, para gases y aire, y alta resistencia y caída tolerable de presión en la

línea.

Válvulas de mariposa

Son uno de los tipos más usuales y antiguos que se conocen. Son

sencillas, ligeras y de bajo costo. El costo de mantenimiento también es bajo

porque tienen un mínimo de piezas móviles. El uso principal de las válvulas de

mariposa es para servicio de corte y  de estrangulación cuando se manejan

grandes volúmenes de gases y líquidos a presiones relativamente bajas.

Válvulas de mariposa, muy usadas en tuberías de baja presión.

Válvulas de macho

El uso principal de estas, es en servicio de cote y estrangulación. Dado

que el flujo es suave e ininterrumpido, hay poca turbulencia dentro de ella y por

tanto, la caída de presión es baja. Las ventajas principales de las válvulas de

macho son acción rápida, operación sencilla, espacio mínimo para la

instalación y cierre hermético cuando tienen macho cónico.

Válvulas de bola

Son básicamente válvulas de macho modificadas. No son satisfactorias

para estrangulación, son de rápida operación de fácil mantenimiento, no

requieren lubricación, producen cierre hermético con baja torsión y su caída de

presión es función del tamaño del orificio.

Válvulas de bola de dos piezas

Válvula de aguja

Son básicamente válvulas de globo que tienen machos cónicos similares a

agujas que ajustan con precisión en sus asientos. Por lo general, se utilizan

para instrumentos o sistemas hidráulicos, aunque no para altas temperaturas.

Los materiales de construcción suelen ser bronce, acero inoxidable, latón y

otras aleaciones.

Válvula  en Y

Las válvulas en Y, que son una modificación de las de globo, tienen el

conducto rectilíneo de una válvula de compuerta. El orificio para el asiento está

inclinado un  ángulo de 45° con el sentido de flujo. Por tanto, se obtienen una

trayectoria más lisa, similar a la de válvula de compuerta y hay menor caída de

presión que en la válvula de globo convencional; además, tiene buena

capacidad para estrangulación.

Válvula de retención (check)

Las válvulas de retención son integrales y se destinan a impedir la

inversión del flujo en una tubería. La presión del fluido circulante abre la

válvula; el peso del mecanismo de retención y cualquier inversión en el flujo la

cierran. Los discos y componentes móviles pueden estar en movimiento

constante sí la fuerza de la velocidad no es suficiente para mantenerlas en su

posición estable de apertura total.

Hay diferentes tipos de válvulas de retención, como la de bisagra

(columpio) y de retención horizontal, como la vista a continuación, y su

selección depende de la temperatura, caída de presión que producen y la

limpieza del fluido.

Válvula de retención (check) horizontal.

El Obturador

El obturador determina la característica de caudal de la válvula, es decir,

la relación que existe entre la posición del obturador y el caudal de paso del

fluido.

La característica de un fluido incompresible fluyendo en condiciones de

presión diferencial constante a través de la válvula se denomina característica

de caudal inherente y se representa usualmente considerando como abscisas

la carrera del obturador de la válvula y como ordenadas el porcentaje del

caudal máximo bajo una presión diferencial constante.

Tipos de Obturadores

Tipos de Obturadores:

Obturador con característica de apertura lineal En el obturador con

característica de apertura lineal, el caudal es directamente proporcional a la

carrera según la siguiente ecuación:

q = caudal a pérdida de carga constante

K = constante

l = carrera de la válvula

A los efectos de avanzar en el porqué de estos tipos de válvulas,

introduciremos un primer concepto: el de rangeabilidad (rangeability), la cual

definimos como:

La “Rangeability” o campo de control de caudales que la válvula es capaz

de regular manteniendo la curva característica inherente es en la válvula lineal

de 15 a 1 o de 30 a 1. Si bien teóricamente podría ser infinita, las dificultades

de fabricación las limitan a ese valor.

Se utilizan válvulas lineales con obturadores lineales para:

Procesos lentos.

Cuando más del 40 % de la caída de presión del sistema cae en la válvula.

 

Obturador con característica Isoporcentual:

En el obturador con característica isoporcentual cada incremento de

carrera del obturador produce un cambio en el caudal que es proporcional al

caudal que fluía antes de la variación. La ecuación correspondiente es:

En la que:

q = caudal a pérdida de carga constante

l = carrera

a = constante

De aquí:

E integrando:

En la que:

a y b son constantes

e = base de los logaritmos neperianos

Se utilizan válvulas con obturadores Isoporcentuales para:

•  Procesos rápidos.

•  Cuando la dinámica del sistema no se conoce muy bien.

•  Cuando se requiere alta rangeabilidad.

Simbología para Válvulas

- DE DOBLE COMPUERTA

- DE ESFERA

- DE MARIPOSA

- DE SEGURIDAD POR EXCESO DE FLUJO

- DE SEGURIDAD POR FALTA DE PRESION

- DE SEGURIDAD POR MAXIMA PRESION Y ESCAPE A LA ATMOSFERA

DE RETENCION

- DE SEGURIDAD POR MAXIMA PRESION

- DE SEGURIDAD POR MINIMA PRESION

Cuadro sobre Tipos de válvulas y sus características:

VALVULAS MATERIAL PRESION APLICACIÓNDE DOBLE COMPUERTA

HIERRO GRIS (ASTM A-126 CLASE B); BRONCE

PRESION DE TRABAJO 200

psise requiera circulación

ininterrumpida y poca caída de

presiónDIAMETROS: 2" ( 50 mm) HASTA LOS 24" (600 mm)

DE GLOBO BRONCE, PVC Y LATONEstrangulamient

o al grado deseado de

cualquier flujo, para gases y

aire, y alta resistencia

DIAMETROS:BRONCE Y LATON DESDE

13 mm (1/2") HASTA LOS 102 mm (4")

PVC DESDELOS 13 mm (1/2") HASTA LOS

32 mm (1 1/4")

DE MARIPOSABRONCE

PRESION DE TRABAJO200

psi

Servicio de corte y  de estrangulación para grandes volúmenes de gases y líquidos a presiones relativamente bajas.

DIAMETROS:DE 2" A 12"

DE RETENCIONBRONCE

PRESION DE TRABAJO 5000

psi

se utilizan para impedir la

inversión total del flujo en una

tuberíaDIAMETROS

DESDE LOS 2" HASTA LOS 16"

CAPITULO II. Introducción a los Sistemas de

Control.

Control automático de los procesos industriales en el avance de la

ingeniería y otras áreas de las ciencias.

Reseña Histórica:

James Watt. Regulador Centrífugo para el control de la velocidad

de una máquina de vapor. Siglo XIX.

Minorsky, Nyquist y Hazen. Enfocaron sus trabajos en la

determinación de la estabilidad en sistemas, partiendo de la aplicación

de ecuaciones diferenciales. Introducción del término “servomecanismo”

para los sistemas de control de posición.

1940. Década enmarcada en los diseños de sistemas de control

retroalimentado lineal. Teoría Clásica de Controles. (métodos de

respuestas de frecuencia y del lugar de las raíces).

1960. Década de inicio de la Teoría de Control Moderna. Con el

objeto de afrontar la complejidad creciente de las plantas modernas. La

Disponibilidad de computadoras electrónicas, analógicas, digitales e

hibridas empleadas en los sistemas de control.

Desarrollo de la teoría de control moderna enfocada en los

diferentes campos de la ciencias, contribuyendo en su desarrollo y

avance científico.

Planta: Constituye un equipo, un juego de piezas de un máquina

funcionando juntas cuyo objeto es realizar una operación determinada.

En general es cualquier objeto físico que ha de ser controlado.

(como por ejemplo un reactor químico, un pozo de petróleo, un

separador, una estación de flujo, una refinería).

Procesos: se define como la operación o desarrollo natural,

artificial o voluntaria, progresivamente continua caracterizada por una

serie de cambios graduales, acciones controladas o movimientos

dirigidos sistemáticamente de modo tal que tienden a determinado

resultado o final. En general denominamos proceso a cualquier

operación que se vaya a controlar. Tenemos procesos físicos,

químicos, biológicos, económicos, así como puede ser continuo o

intermitente.

Ejemplos de Procesos:

Proceso de extracción de hidrocarburos.

Proceso de transporte y distribución de hidrocarburos.

Proceso de refinación y petroquímica.

Proceso de comercialización.

Sistemas: Un sistema es una combinación de componentes que

actúan conjuntamente y cumplen determinado objetivo. Un sistema no

está limitado a los objetivos físicos.

El concepto de sistema puedes ser aplicado a fenómenos

abstractos y dinámicos, como los de la economía. Hablamos de sistemas

físicos, biológicos, económicos, entre otros.

Elementos acoplados de manera estable que logran la realización

de un fin.

Conjunto de objetos, así como las relaciones entre éstos y sus

atributos, donde ninguno de los elementos puede ser transformado sin

provocar una modificación de los demás. Además de que el objetivo del

sistema es lograr su propia estabilidad para así llegar a sus objetivos.

OBJETOS: componentes o partes del sistema.

ATRIBUTO: propiedades de los objetos.

RELACIONES: lo que mantiene unido al sistema.

Una planta de ciclo combinado está compuesta de una turbina

de gas generadora, una caldera de recuperación de calor y una turbina a

vapor generadora, formando un sistema que permite producir

electricidad.

Una planta de ciclo combinado de gas natural genera energía

eléctrica dos veces, por un lado, por la combustión del gas natural en

una turbina de gas, y por otro lado, en una turbina de vapor por el vapor

de agua creado utilizando los gases de escape de dicha combustión.

La doble generación eléctrica convierte a las plantas de ciclo

combinado de gas en instalaciones de generación eléctrica más

eficientes, alcanzando un rendimiento del 57%, es decir, muy por encima

de las convencionales de carbón y fuel.

Perturbaciones: Una perturbación es una señal que tiende a

afectar adversamente el valor de la salida de un sistema.

Perturbación interna: aquella que se genera dentro del sistema.

Perturbación externa: aquella que se genera fuera del sistema y

constituye una entrada.

Control: Acción o conjunto de acciones que buscan conformar

la magnitud variable, o conjunto de magnitudes variables, en un patrón

determinado.

Regulación manual o automática sobre un sistema.

Esquema de General de Control

DECISIÓN ACCIÓN

MEDICIÓN

Con base a la medición, el controlador decide qué hacer para mantener

la variable en el valor que se desea.

La medición de la variable que se controla se hace generalmente

mediante la combinación de sensor y transmisor

Como resultado de la decisión del controlador se debe efectuar una

acción en el sistema, generalmente ésta es realizada por elemento final

de control.

Control de Realimentación: Es una operación que presencia

perturbaciones, aunque tiende a reducir la diferencia entre la salida y la entrada

de referencia de un sistema (o un estado deseado, arbitrariamente variado) y

que lo hace sobre la base de esta diferencia.

Las perturbaciones no previsibles (las desconocidas).

Sistema de Control Realimentado: es aquel que tiende a

mantener una relación preestablecida entre la salida y la entrada de referencia,

comparando ambas y utilizando la diferencia como parámetro de control.

Servomecanismos: Un sistema de control realimentado en el

cual la salida es una posición velocidad o aceleración mecánica. Ejemplo: El

cuerpo humano es un sistema de control realimentado extremadamente

complejo.

Sistema de regulación automática: Es un sistema de control

realimentado en el que la entrada de referencia o la salida deseada son o bien

constantes o varían lentamente en el tiempo y donde la tarea fundamental

consiste en mantener la salida en le valor deseado a pesar de las

perturbaciones presentes. La realimentación es un mecanismo, un proceso

cuya señal se mueve dentro de un sistema, y vuelve al principio de éste

sistema como un bucle. Este bucle se llama "bucle de realimentación".

En un sistema de control, éste tiene entradas y salidas del

sistema.

La realimentación tiene que ser bidireccional de modo que la

mejora continua sea posible, en el escalafón jerárquico, de arriba para

abajo y de abajo para arriba.

Nota importante: La realimentación y la autorregulación están íntimamente

relacionadas.

Tipos de Realimentación:

Realimentación negativa: la cual tiende a reducir la señal de

salida o a reducir la actividad. Es la más común, ayuda a mantener estabilidad

en un sistema a pesar de los cambios externos. Se relaciona con la

homeostasis.

Realimentación positiva: La cual tiende a aumentar la señal de

salida, o actividad, lo que amplifica, es la condición necesaria para incrementar

los cambios. Este mecanismo de realimentación presenta una variación en la

salida produce un efecto dentro del sistema, que refuerza esa tasa de cambio.

Por lo general, esto hace que el sistema no llegue a un punto de equilibrio sino

más bien a uno de saturación. Es un estimulo constante.

Realimentación bipolar: La cual puede aumentar o disminuir la

señal o actividad de salida. Positivo y negativo. Ejemplos: Un automóvil

conducido por una persona, un sistema de calefacción, están realimentado

negativamente. En un sistema electrónico. Los dispositivos semiconductores

conducen mejor la corriente cuanto mayor sea su temperatura. Está

retroalimentado positivamente.

Sistema de Control de Proceso: La regulación o manipulación

de variables que influyen en el comportamiento de un proceso de una forma

determina como obtenemos un producto con una calidad y una cantidad

deseadas de manera eficiente. Un sistema de regulación automática en el que

la salida es una variable como temperatura, presión, flujo, nivel de líquido, se

llama “sistema de control de proceso”

Sistema de Control de Proceso

Entendemos como un sistema de control a la combinación de

componentes que actúan juntos para realizar el control de un proceso.

Este control se puede hacer de forma continua, es decir en todo

momento o de forma discreta, es decir cada cierto tiempo.

Cuando el sistema es continuo, el control se realiza con

elementos continuos.

Variable Medida

Variable Controlada

PROCESO

CONTROLADOR

Perturbaciones

Variables Manipuladas

Cuando el sistema es discreto, el control se realiza con elementos

digitales como el ordenador, por lo que hay que digitalizar los valores

antes de su procesamiento y volver a convertirlos tras el procesamiento.

En cualquier caso existen dos tipos de sistemas, en lazo abierto y

en lazo cerrado.

Sistema de Control de Lazo Cerrado:

Un sistema de control de lazo cerrado es aquel en el que la señal

de salida tiene efecto directo sobre la acción de control.

Características de Control de lazo cerrado.

Son sistema de control realimentado.

La señal de error actuante entra al detector o control de manera

de reducir el error y llevar la salida del sistema al valor deseado. (el

término lazo cerrado implica el uso de acción de realimentación para

reducir el error del sistema.

La señal de salida influye sobre la señal de entrada.

Planta o Proceso

Controlador

Elemento de

Medición

Salida

Entrada

Sistema de Control de Lazo Cerrado

Ejemplos:

1. Llenado de agua de un inodoro.

2. Sistema térmico (mantenimiento de temperatura).

3. Sistemas de refrigeración, calentadores de agua automáticos, sistemas

de calefacción con control termostático.

Sistema de Control de Lazo Abierto:

Son sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre

la acción de control, es decir la salida ni se mide ni se realimenta para

comparar la entrada.

Es aquella en los que la decisión y la acción, se realiza con la

intervención del elemento humano.

Características de Sistemas de Control de Lazo Abierto.

En los sistemas de control de lazo abierto no se compara la salida

con la entrada de referencia. Por lo que para cada entrada de referencia

corresponde una condición de operación fijada.

Control

Planta o Proceso

Entrada Salida

Sistema de Control de Lazo Abierto.

La exactitud del sistema depende de la calibración y esta debe

mantenerse

En presencia de perturbaciones un sistema de control de lazo

abierto no cumple su función asignada.

En la práctica, sólo se puede emplear el control de lazo abierto si

la relación entre la entrada y la salida es conocida y si no hay

perturbaciones ni internas ni externas.

Estos sistemas claramente no son sistemas de control

realimentado.

Cualquier sistema de control que funciona sobre una base de

tiempos es de lazo abiertos.

Requerimientos Generales de un Sistema de Control.

1. Cualquier sistema de control debe ser estable. (estabilidad absoluta y

relativa razonable)

2. Un sistema de control debe también poder reducir a cero, o a un valor

tolerablemente pequeño, los errores. (exactitud)

Problemas Básicos en Proyectos de Sistemas de Control.

1. Perturbaciones de origen interno o externos que pueden ser causales o

previsibles.

2. Determinar la Ley de Control Óptimo. (Índice de funcionamiento- señal

de control óptima).

3. Análisis: Conocimiento del modelo matemático.

4. Proyecto: Cumplimiento de los requerimientos.

5. Síntesis: procedimiento totalmente matemático desde el principio al final

del proceso diseñado. Síntesis para rede lineales y sistemas óptimos

lineales

Enfoque Básico del Proyecto de Sistema de Control.

1. Procedimientos de tanteos.

2. Las especificaciones han de ser interpretadas en términos matemáticos.

3. Diseño y simulación del sistema de control (diseño del modelo

matemático).

4. Prototipo 1

5. Rediseño del sistema de control

6. Prototipo Completamente Satisfactorio

Los Cuatros Componentes básicos de todo sistema de

control son los siguientes :

Sensor, que también se conoce como elemento primario.

Transmisor, el cual se conoce como elementos secundario.

Controlador, que es el “cerebro” del sistema de control.

Elemento Final de Control, frecuentemente se trata de una válvula de

control aunque no siempre. Otros elementos finales de control comúnmente

utilizados son las bombas de velocidad variable, los transportadores, y los

motores eléctricos.

Esquemáticamente podemos representar un lazo de control de la

siguiente manera:

Elementos Primarios en su definición:

Es el dispositivo que está en contacto con el proceso y traduce e

interpreta los cambios producidos por la variable y los comunica

mecánicamente al sistema.

El elemento primario de medición, detector o sensor es un

instrumento, que puede formar parte de un lazo de control, que

primero detecta o sensa el valor de la variable de proceso y que

asume un estado o salida legible, correspondiente y

predeterminado. En algunos casos el sensor y el transmisor

vienen en un solo instrumento.

Sensor: dispositivo capaz de convertir una magnitud física (presión,

temperatura, flujo, nivel) en una señal eléctrica. La señal eléctrica se

debe acondicionar (amplificar, eliminar ruido, linealizar) para adaptarla a

las necesidades del equipo que debe leer la señal (autómata).

Esquema básico:

Elemento Final de Control. PRO

CESO

Elemento Primario de Medición

Trans

misor Controlador

Convertidor o Transd

uctor

Variable Controlada

Variable Manipulada

Punto de Ajuste

Perturbaciones

Elementos secundarios son representados por:

Transmisores: consisten en instrumentos que interpretan fenómenos

físicos, los cuales traducen en señales estándar de ingeniería.

Instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a

distancia a un instrumento receptor, indicador, registrador, controlador o una

combinación de estos.

Por lo tanto, es preciso señalar que según los elementos de control en

un proceso, esquematiza lo siguiente:

Sensor

Magnitud Física Acondicionador de señal

(filtrado +amplificación)

Salida

Existe una gran variedad y Tipos de transmisores que son: Los

Neumáticos, los electrónicos, los digitales, los hidráulicos y los telemétricos.

Transmisores Neumáticos

Un transmisor neumático es un dispositivo mecánico que convierte un

desplazamiento mecánico en variaciones proporcionales de presión. Se utiliza

Elemento

Primario

Elemento

Secundario

Variable a medir

Señal

Dispositivo Físico en contacto con lo que se va a medir. La variable a medir produce un cambio en alguna propiedad mecánica, eléctrica, etc.

Dispositivo que capta los cambios de la propiedad mecánica, eléctrica, etc., y la transforma en una señal que se usará en un indicador, registrador, alarma etc.

para convertir una medida de cierta magnitud en una señal neumática

representativa de esta medida y transmitirla a una cierta distancia a un

elemento receptor, indicador, registrador, controlador o una combinación de

estos. Por ejemplo los transmisores neumáticos trabajan así:

Recibe una señal de entrada: 3-20psi.

Emiten una señal de salida: 3-15psi.

Otros emplean señales con menor frecuencia de uso: 6-30psi ó 3-27psi.

Transmisores Electrónicos.

Es un instrumento que mide y transmite las variables de presión

manométrica, absoluta y diferencial, convirtiéndolas en unidades de corriente o

voltaje y puede ser lineal o cuadrática, las cuales son traducidas por los

sistemas de indicación y control (PLC, Scada, RTU, entre otros). Los

transmisores electrónicos trabajarían con rango de 4-20 mA en c.c (corriente

continua), recibiendo un voltaje de 50- 105 V c.c.

Transmisores Digitales:

Un nuevo tipo de transmisores, basado en microprocesadores, ofrece

una mayor capacidad y confiabilidad que sus antecesores neumáticos y

electrónicos análogos. Los transmisores digitales emiten una señal digital

discreta, la cual emplea el sistema binario. Los cambios de señal se realizan

mediante un transductor por ejemplo una señal eléctrica mA (miliamperios) a

neumática (psi) transductor (I/P) que transforma la señal de corriente ( I ) en

neumática (P).

Tabla comparativa de transmisores:

Transmisor Señal Precisión Ventajas Desventajas

Neumático(3-15) psi

(0,2-1) bar+ 0,5%

-Rapidez

-Sencillo

-Aire limpio

-No guardan

información

-Distancias limitadas

-Mantenimiento

costoso

-Sensible a vibraciones

Electrónico

Convencional

(4-20)

mA c.c+0,5% -Rapidez

-Sensible a vibraciones

-Desviaciones térmicas

Electrónico

Inteligente

(4-20) mA

c.c+0,2%

-Mayor precisión

intercambiable.

-Estable, Fiable.

-Campo de medida

más amplio.

-Bajo costo de

mantenimiento.

Lento (para variables

rápidas puede

presentar problemas)

Electrónico

Inteligente

(señal digital)

Digital + 0,1% -Mayor precisión

-Más estabilidad.

-Fiable

Autodiagnóstico

-Lento (para variables

rápidas puede

presentar problemas)

-Falta normalización de

-Comunicación las comunicaciones.