Instrumentación y Control.
Introducción de la asignatura.
Hoy en día las
empresas cuentas con procesos que le permiten llegar a un producto terminado el
cual debe cumplir con las características que el cliente requiera además de
ello debe estar acorde a las distintas normas nacionales e internacionales que
rigen a las organizaciones.
En tanto a la
materia de procesos industriales se nos brinda información de diseño y análisis
de las distintas operaciones que existen en las diferentes industrias,
brindando una perspectiva de lo que nos podríamos enfrentar en un futuro
cercano, debido a que generalmente existen problemas en los distintos procesos
y nosotros como ingenieros industriales debemos estar preparados para dar
solución a dichos problemas.
Instrumento de medida.
Un instrumento de medida es una técnica o conjunto de
técnicas que permitirán una asignación numérica que cuantifique las
manifestaciones de un constructo que es medible solo de manera indirecta.
En otras palabras se puede decir que los instrumentos de
medida son dispositivos utilizados para comparar magnitudes por medio de un
proceso de medición.
Los cuales deben constar con las siguientes características.
Tipos de instrumentos.
Instrumentos para medir la masa.
Balanza: Es un instrumento de
medición que permite medir las masas de los objetos.
Espectrómetro de masa: Se determina la relación masa/carga
de especies moleculares, por medio de esta medición permite conocer el peso
molecular exacto de la molécula.
Catarómetro: Es un instrumento de medición empleado para
medir y determinar la masa-composición de una mezcla de gases.
Instrumentos para medir el tiempo.
Calendario: Es una cuenta sistematizada del transcurso del
tiempo los cuales permiten la organización cronológica de actividades durante
un año.
Cronómetro: El cronómetro es un instrumento para medir un
intervalo de tiempo, el cual es definido como el lapso entre dos eventos.
Reloj: Es un instrumento capaz de medir el tiempo natural en
unidades convencionales (horas, minutos o segundos).
Instrumentos para medir longitud.
Flexómetro: es un instrumento de medida que consiste en una
cinta graduada en dos sistemas internacionales (sistema métrico decimal y
sistema imperial de unidades).
Regla graduada: es una herramienta de medición con forma
delgada rectangular que tiene marcada una escala de longitud, la podemos
encontrar en centímetros.
Micrómetro: Es un instrumento de medición cuyo
funcionamiento está basado en el tornillo micrométrico y permite medir
longitudes exteriores o interiores de objetos con alta precisión.
También encontramos otros tipos de instrumentos de medida, los cuales son:
Sensor.
Un sensor es un dispositivo que detecta el cambio en el
entorno y responde a alguna salida en el otro sistema. Los sensores posibilitan
la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de medición y/o de
control, tanto eléctricos como electrónicos, utilizándose extensivamente en
todo tipo de procesos industriales y no industriales para propósitos de
monitoreo, medición, control y procesamiento.
Tipos de sensores.
Sensor de temperatura: Es un dispositivo que recopila información sobre la temperatura
de un recurso y la cambia a una forma que puede ser entendida por otro
dispositivo.
Sensores de presión: Es un instrumento
que capta la presión y la transforma en una señal eléctrica donde la cantidad
depende de la presión aplicada.
Sensores MEMS: Estos sensores de automatización industrial
MEMS convierten las señales mecánicas medidas en señales eléctricas.
Sensores de nivel: Se utiliza para monitorear nivel de
fluidos cerrándose o abriéndose cuando se alcanza un nivel determinado.
Sensor de color: Es un tipo de "sensor
fotoeléctrico" que emite luz desde un transmisor y luego, con un receptor,
detecta la luz que se refleja desde el objeto de detección.
Transmisor.
Los transmisores, también llamados transductores, se
utilizan para convertir variables físicas convencionales en señales eléctricas.
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.
Tipos de transmisores.
Transmisor neumático: es un dispositivo mecánico que
convierte un desplazamiento mecánico en variaciones proporcionales de presión
Transmisor electrónico: Generalmente utilizan el equilibrio de fuerzas, el desequilibrio da lugar a una variación de posición relativa, excitando un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia o un transformador diferencial.
Señal digital.
Una señal digital es aquella que presenta una variación discontinua con el tiempo y que sólo puede tomar ciertos valores discretos tales como 0 y 1 que pueden ser impulsos eléctricos de baja y alta tensión, interruptores abiertos o cerrados, etc. Su forma característica es ampliamente conocida: la señal básica es una onda cuadrada (pulsos) y las representaciones se realizan en el dominio del tiempo.
Señal análoga.
Una señal analógica es una señal que varía de forma continua
a lo largo del tiempo. La mayoría de las señales que representan una magnitud
física (temperatura, luminosidad, humedad, etc.) son señales analógicas. Las
señales analógicas pueden tomar todos los valores posibles de un intervalo.
Controlador.
Un controlador compara el valor real de la salida de una
planta con la entrada de referencia, determina la desviación y produce una
señal de control que reducirá la desviación a cero o a un valor pequeño, on
esta comparación se logran acciones correctivas.
Los controladores también se usan para realizar estrategias
de control secuencial. Es aquí cuando reciben el nombre de PLC o controlador
lógico programable.
Tipos de controladores.
Controladores Discretos: Están en
un solo panel, tienen un bucle único de actuación, también podemos visualizar
un mecanismo de control y de actuar de manera manual sobre él.
Controladores Lógicos Programables: Controla la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos
industriales, procesan y reciben señales digitales y analógicas y pueden
aplicar estrategias de control
Sistemas De Control SCADA: es una herramienta de
automatización y control industrial utilizada en los procesos productivos que
puede controlar, supervisar, recopilar datos, analizar datos y generar informes
a distancia mediante una aplicación informática
Sistemas De Control Distribuido: Utiliza bucles de control distribuidos por toda una fábrica, maquinaria o área de control. Es un sistema industrial automatizado y digital que se utiliza para controlar los procesos industriales y aumentar su seguridad, rentabilidad y fiabilidad.
Actuador (Elemento
final)
Generalmente se conoce con el nombre de actuadores a los elementos finales que permiten modificar las variables a controlar en una instalación automatizada. En el control automático de los procesos industriales el actuador es un dispositivo capaz de intervenir en el proceso que pretendemos controlar.
Se trata de un dispositivo esencial mecánico que tiene la
función de proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico.
Mediante el controlador se genera una respuesta al recibir un impulso y
convertirlo en una acción. Es un componente que emplea la energía recibida
para activar el funcionamiento de un proceso automatizado.
El actuador transforma el tipo de energía ya sea (eléctrica, hidráulica) en energía
mecánica.
Existen varios actuadores pero uno de los principales es la
válvula de control que juega un papel muy importante en el bucle de regulación.
Realiza la función de variar el caudal de fluido de control que modifica a su
vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio de área
continuamente variable.
Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como
elemento primario, el transmisor y el controlador. La válvula de control
típica, se compone básicamente del cuerpo y del servomotor.
Tipos de Actuadores
Los actuadores utilizados actualmente son de tipo eléctrico,
hidráulico, y neumático.
De acuerdo a la aplicación que se le dará, existen actuadores
de diferentes tamaños, estilos y modos de operación. Se debe tomar en
cuenta que los actuadores pueden ser lineales y giratorios. Los lineales
convierten la energía en movimientos lineales rectos, esto sirve para empujar o
tirar; mientras que los giratorios convierten la energía en movimientos
balanceados y se utilizan en válvulas.
Los actuadores eléctricos hidráulicos, neumáticos son
usados para manejar aparatos mecatrónicos, estos engloban el desarrollo de
productos que involucren sistemas inteligentes o procesos inteligentes.
Los actuadores
eléctricos.- Estos son limpios, fáciles de usar y con disponibilidad
inmediata se utilizan en aplicaciones que requieran precisión. Requieren de
energía de una fuente externa (batería) así como de mantenimiento periódico,
para conducir un motor y convertir la energía eléctrica en fuerza mecánica.
Algunos de los actuadores eléctricos son: Motores, relés, entre otros.
Los actuadores
hidráulicos.- Utilizan líquidos como aceites para generar movimientos donde
se requiere de una mayor fuerza en si se emplea cuando se necesita potencia,
para manejar cargas pesadas. Su mantenimiento es costoso, algunos actuadores
son compuertas, grúas, elevadores, entre otros.
Los actuadores
neumáticos.- Utilizan aire comprimido como su fuente de energía, esto
permite que aplicar donde requieran rapidez a operaciones de arranque y paro. Son
seguros, poderosos, confiables y baratos. Sin embargo la aplicación es
limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. Se utilizan en
operaciones que impliquen desplazamientos lineales o cortos.
Exactitud
La exactitud indica los resultados
de la proximidad de la medición con respecto al valor verdadero.
La exactitud de una medida es el
grado de aproximación al valor verdadero, en tal caso que no sea el valor
verdadero la medición debe ser tan alta como fuese posible. En otras palabras,
las medidas que se realizaran tienden a dar lecturas próximas al verdadero
valor de la magnitud medida.
Se entiende por exactitud que el
valor verdadero se pueda detectar sin
errores sistemáticos positivos o negativos en la medición. El promedio de error
entre el valor real y el valor detectado tendrá que ser cero.
Precisión
Indica los resultados con respecto
a la repetitividad de la medida.
La precisión de la medición debe
ser tan alta como fuese posible. La precisión significa que existe o no una
pequeña variación aleatoria en la medición de la variable. La dispersión en los
valores de una serie de mediciones será mínima.
A diferencia de la exactitud, la
precisión indica la dispersión entre sí, de los valores medidos, más no la
diferencia entre los valores medidos y los valores reales.
Incertidumbre
La incertidumbre se origina a partir de elementos de datos
falsos o de un equívoco, a partir de datos incompletos o de un contexto
ambiguo.
Es la cuantificación de la duda que se tiene sobre el
resultado de la medición. Cuando sea posible, se trata de corregir los errores
conocidos, pero cualquier error del cual no se conozca su valor, es una fuente
de incertidumbre. Ambos tipos de errores, los sistemáticos y los
aleatorios, contribuyen a la incertidumbre, bien en su totalidad (por
no haber sido corregidos), o bien con los errores no corregidos y la
incertidumbre de la corrección aplicada para los errores corregidos.
La incertidumbre es el parámetro asociado con el resultado
de la medida que caracteriza la dispersión de los valores ocasionada
razonablemente por el mensurando, es decir, la magnitud particular sujeta a
medición o la magnitud medida por un instrumento (cantidad que se ha medido); por
ejemplo, la temperatura de un líquido contenido en un tanque.
Error de Medida
Se dice que una medición es más exacta cuanto más pequeño es el error de medida. Es la diferencia entre un valor medido y el valor convencionalmente verdadero, del objeto que se está midiendo.
El error de medida se define como la diferencia entre el
valor medido y el “valor verdadero”. Los errores de medición afectan a
cualquier instrumento de medición y pueden deberse a distintas causas. Las que
se pueden de alguna manera prever, calcular, eliminar mediante calibraciones y
compensaciones, se denominan deterministas o sistemáticos y se relacionan con
la exactitud de las mediciones. Los que no se pueden prever, pues dependen de
causas desconocidas, o estocásticas se denominan aleatorios y están
relacionados con la precisión del instrumento.
Sensibilidad
Es la razón entre el incremento de la señal de salida o de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haberse alcanzado el estado de reposo.
Por ejemplo;
Si en un transmisor electrónico de 0-10 bar, la presión pasa de 5 a 5,5 bar y la señal de salida de 11,9 a 12,3 mA c.c., la sensibilidad es el cociente:
Repetibilidad
Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la
pluma o del índice o de la señal de salida del instrumento, al medir
repetidamente valores idénticos de la variable en las mismas condiciones de
servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el campo. La repetitividad
es sinónimo de precisión. A mayor repetitividad, es decir, a un menor valor
numérico por ejemplo, si en un instrumento es 0,05% y en otro es
0,005%, este segundo tendrá más repetitividad, los valores de la indicación o señal de salida estarán más concentrados, es decir, habrá menos dispersión y
una mayor precisión.
Histéresis
Es la diferencia máxima que se
observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento o la
señal de salida para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la
variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente.
Por ejemplo: Si en un termómetro 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 histéresis es de:
Resolución
Es la menor diferencia de valor que el instrumento puede
distinguir. En los instrumentos analógicos interviene el operador según donde
observe la posición de la aguja, su error de paralaje en la lectura 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 indicadora, que el Observador considera en
la mitad entre las divisiones 52% y 53%, y que el afirma que es capaz de discriminar
valores del 0,5%, podrá considerarse la resolución como (0,5/100) = 0,05%.
En los instrumentos digitales, la resolución es el cambio de
valor de la variable que ocasiona que el dígito menos significativo se
modifique. Por ejemplo, un indicador digital de temperatura en el que se lee
531,01 °C, el dígito menos significativo es el último 1.
Deriva.
Es una variación en la señal de salida que se presenta en un período de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales.
Deriva de cero
Variación en la señal de salida para el valor cero de la medida atribuible a cualquier causa interna
Deriva térmica de cero
Variación en la señal de salida a medida cero, debida a los efectos únicos de la temperatura.
Trazabilidad
Capacidad para reconstruir el historial de la utilización o la localización de un articulo o producto mediante una identificación registrada.
Propiedad del resultado de las mediciones efectuadas con un instrumento o con un patrón, tal que puede relacionarse con patrones nacionales o internacionales, mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones y con todas las incertidumbres determinadas.
Linealidad
Es la característica que define que tanto se
acerca la curva de calibración del instrumento a una línea recta o cuando la
curva de transferencia es una recta el sistema se dice que es lineal.
q =
a ×m + b
La ecuación mostrada antes, seguramente se
hace familiar, y claro que lo es, puesto que es la ecuación de la recta.
La linealidad es usualmente medida como una no
linealidad y expresada como linealidad, hoy en día muchos instrumentos tienen
un ajuste de linealidad
Ningún sistema real nunca es exactamente lineal, la tecnología actual hace posible diseñar sistemas que tenga un comportamiento muy próximo al comportamiento lineal.
El uso de componentes lineales permite construir sistemas con comportamiento analizable analíticamente.
Un sistema lineal puede caracterizarse por dos únicos parámetros:
*La sensibilidad o ganancia (sensitivity) (a) que es la pendiente de la curva de transferencia.
*El nivel para entrada nula (offset, offset for null input) que es la intersección de la curva de transferencia o su extrapolación con la línea m = 0.
Calibración
La calibración de un instrumento consiste en
modificar la curva de transferencia de un equipo para que proporcione
resultados de medida que se correspondan lomas exactamente posibles con el
valor que se mide
En el caso de un sistema lineal la calibración
se puede realizar ajustando sus dos parámetros: el nivel y la sensibilidad.
- La
calibración puede realizarse con dos medidas:
* Realizando una medida nula (blanco) se ajusta el nivel u offset.
* Realizando una medida de un valor conocido (patrón) se ajusta la sensibilidad
Sistema de control
Acorde a lo que se ha podido aprender en
clase, podemos definir a un sistema como algo que tiene entradas y salidas,
mismo que se puede llevar a varios ámbitos de análisis, como por ejemplo una
ecuación de balance en lo que respecta a la contabilidad, o también una
ecuación matemática, en la siguiente figura se representa un sistema cualquiera.
Pero cuando ya se habla de un sistema de control,
este puede definirse conceptualmente como un tipo de sistema que se caracteriza
por la presencia de una serie de elementos que permiten influir en el
funcionamiento del sistema. La finalidad de un sistema de control es conseguir,
mediante la manipulación de las variables de control, un dominio sobre las
variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores prefijados.
Un sistema de control ideal debe ser capaz de
conseguir su objetivo cumpliendo los siguientes requisitos:
1. Garantizar
la estabilidad y, particularmente, ser robusto frente a perturbaciones y
errores en los modelos.
2. Ser tan eficiente como sea posible,
según un criterio preestablecido. Normalmente este criterio consiste en que la
acción de control sobre las variables de entrada sea realizable, evitando
comportamientos bruscos e irreales.
3. Ser fácilmente implementable y
cómodo de operar en tiempo real con ayuda de un ordenador.
Los
elementos básicos que forman parte de un sistema de control y permiten su
manipulación son los siguientes:
- Sensores. Permiten conocer los valores de
las variables medidas del sistema.
- Controlador. Utilizando los valores
determinados por los sensores y la consigna impuesta, calcula la acción que
debe aplicarse para modificar las variables de control en base a cierta estrategia.
- Actuador. Es el mecanismo que ejecuta la
acción calculada por el controlador y que modifica las variables de control.
Sistema de control de Lazo Abierto.
Son sistemas de control muy simples y
económicos de implementar como tal, pero tienen la desventaja de que no
compensan las posibles variaciones que pueda tener la planta del mismo
modo que no puede identificar las posibles perturbaciones que puedan o estén
afectando al proceso como tal, es decir el sistema estará trabajando a ciegas.
Ventajas y desventajas de los sistemas de control de lazo abierto.
Sistema de control lazo cerrado.
Para tratar de eliminar esos problemas que se
presentan al utilizar un lazo abierto, se implementan ciertos equipos tales
como sensores que permitan tomar datos de la variable controlada y se las
enviara al controlador, y este lo va a interpretar mediante una expresión
matemática (LO QUE QUIERO – LO QUE HAY = LO QUE ME HACE FALTA), ese término de
LO QUE ME HACE FALTA hace referencia al error, sino es lo que le
pedimos, el va a leer lo que esta ocurriendo en la variable manipulada o
controlada y le va a decir al controlador, el cual decidirá como actuar.
Ventajas y desventajas del sistema de
control de lazo cerrado
|
Ventajas |
Desventajas |
|
- Son más exactos |
Son más costosos |
|
- Poseen muy poca sensibilidad
ante posibles perturbaciones |
Requiere mayor número de
elementos |
|
Mantiene las variables dentro de
su zona de operación y consigue rechazar los posibles disturbios |
Podrían desestabilizar el
proceso (es decir al momento de tratar de corregir errores), por lo que se
requiere un correcto ajuste y diseño, para evitar dicha desestabilización |
Video explicativo
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