Sistemas de control
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ACCION DE UN SISTEMA DE CONTROL
Directa
Cuando al aumentar la variable la válvula debe cerrar.
Inversa
Cuando al aumentar la variable la válvula debe abrir.
Sistemas Abiertos
Son aquellos que no verifican o rectifican la salida del proceso, esto se refiere a que en estos tipos de sistemas únicamente van a controlar las diferentes variables antes del proceso o durante si.
Sistemas Cerrados
Son aquellos sistemas en donde el aparato de control verifican la salida del proceso. Para este tipo de sistemas se tiene mas control sobre el proceso.
Los sistemas cerrados se clasifican en 2 tipos:
Sistemas Cerrados de Prealimentación.-
Son aquellos sistemas donde el elemento primario de medición ( este puede ser un termómetro o algún otro aparato) se encuentra instalado antes de entrar al proceso y el medio que estamos controlando.
Sistemas Cerrados de RetroalimentaciónSistemas Cerrados de Retroalimentación.-
Son aquellos sistemas en donde el elemento primario de medición, se encuentra en la salida del proceso y el medio que se esta controlando.
Una combinación de ambos se conoce como mixto.
La figura 2 es un sistema de control cerrado de prealimentación; por que mide la variable antes de entrar al proceso y modifica al agente de control para que la variable controlada adquiera el valor deseado. La figura 3, sistema cerrado de retroalimentación. Con la variable controlada (temperatura) medida en la salida del proceso.
1. Proceso / Punto de ajuste. 2. Variable controlada 3. Elementos primarios de medición. 4. Medio de medición. 5. Transmisor. 6. Señal de medición. 7. Controlador. · Punto de ajuste. · Señal controlada. · Elemento final de control. · Agente de control. · Variable manipulada
Proceso
El o los equipos en los cuales la variable controlada va a ser contenida dentro de ciertos valores predeterminados.
Variable de Proceso
Una cantidad o condición física o química se varia en función del tiempo.
Variable Controlada
Es una variable de proceso que es medida y/o controlada por un sistema de control.
Fluido de Medición
Un fluido o energía que lleva la señal producida en el elemento primario o un receptor, que puede ser un indicador, un registrador, un transmisor, etc.
Transmisor
Un dispositivo que detecta la variable controlada a través de un elemento de estado estable varia como una función predeterminada de la variable controlada.
Señal de Medición.
Señal producida en un transmisor 5 elementos primarios y que es medida en forma de presión, corriente, voltaje o energía electromagnética.
Controlador Automático
Un dispositivo que mide el valor de una cantidad o condición variable y opera para mantenerla dentro de sus limites.
Punto de Ajuste
Es el valor de la variable controlada que se desea mantener y es ajustado mecánicamente o por otro medio.
Señal Controlada
También llamada salida del controlador, es una magnitud en presión, corriente o voltaje, obtenida como resultado de una operación en el controlador.
Elemento final de control.
Es la parte del circuito de control que directamente varia al agente de control.
Agente de Control.
Material o energía del proceso que afecta el valor de la variable controlada y su cantidad es regulada por el elemento final de control.
Variable Manipulada
Variable del agente de control que se opera por el elemento final de control y directamente cambia la energía del proceso.
Transductor
Es un dispositivo que convierte un tipo de energía a otra o una carga o movimiento.
En la figura 4 se muestra el circuito para controlar el flujo de una solución química (mezcla) el sistema cuenta con un controlador de flujo magnético.
Lo que se quiere mantener constante y puede ser la alcalinidad o acidez de la solución medidas por su PH, al variar el potencial de la solución el transmisor de flujo magnético que posee mecanismos de control, a su vez, por medio de una señal neumática acciona una válvula que puede regular o cerrar el paso de la solución a la tubería de la alimentación.
Se muestra un circuito de control sencillo; su funcionamiento es el siguiente, al llegar el fluido al nivel preestablecido, el flotador sube y envía una señal mecánica al controlador neumático que envía una señal neumática a la válvula de entrada al tanque que cierra la alimentación.
El circuito de control se utilizado para controlar la temperatura de un fluido que es calentado por medio de un flujo de vapor, cuando la temperatura varia con relación a un valor ya fijado, un elemento sensor de temperatura envía una señal al controlador del sector, que a su vez por medio de una señal neumática cierra la llave o válvula de alimentación de vapor.
Error
Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de variable medida.
Error Angular o de Linealidad
Aparece en el centro de la gama cuando las lecturas son ciertas al principio y al final de la escala.
Error Dinámico
Diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el valor leído por el instrumento y es afectado por las condiciones dinámicas del proceso.
Error de Multiplicación
Se presenta cuando incrementa o disminuye a lo largo de la escala.
Error Estático
Error obtenido cuando el proceso esta en régimen permanente y la variable medida no cambia su valor.
Error Lineal o de Cero
Es constante a lo largo de la escala.
Errores de Medición
Se tienen 2 familias de errores
1. Propios del sistema.
2. Por patrones falsos
3. Los instrumentos de medición generalmente garantizan el 1% de precisión, cuando se requiere mayor precisión implica mayor costo, hay cuidar que el patrón cumpla con los requerimientos.
Hay 2 o 3 tipos de fuentes
Ruidos de Medición Interno.
Se pueden meter a nivel de elemento primario (termopar), en la transmisión es donde se introduce ruido ya que por ejemplo, el termopar mide bien pero en la transmisión se introducen ruidos que afectan la medición.
a. En elementos primarios.
b. En todo lazo de comunicación.
c. EN elementos receptores (es donde existen mas errores)
Los errores mas comunes son de interpretación y observación que son: paralaje, interpolación, conocimientos del operador
Ruidos Exteriores
Se deben a perturbaciones del medio ambiente (ondas de radio, efectos electromagnéticos). Todos los cables de instrumentación son blindados y torcidos para reducir la influencia externa al mínimo en las cajas de conexión se tienen problemas de mala conexión a tierra.
Tiempo de Respuesta
La mayoría de los instrumentos de medición están calibrados para que trabajen como sistemas de 2° orden critico (sistema electromecánico), la constante de tiempo del sistema, la mayoría de las variables físicas se calibran para tiempo critico pero aun así tienen atraso.
Termistores
Los resistores térmicos son dispositivos que se diseñan usualmente de manera que su resistencia disminuya cuando aumenta la temperatura, se fabrican compuestos llamados óxidos los cuales son combinaciones de oxigeno y metales, como magnético, níquel, cobalto. Los termistores se presentan en varias formas:
· Arandela
· Perla
· Disco
· Cilíndrico
Puesto que la resistencia de un termistor cambia con la temperatura, funciona como un resistor controlado por el calor y por ellos mismo puede emplearse como un sensor de calor, este es un dispositivo que convierte los cambio de temperatura en cambios correspondientes del valor de la corriente en un circuito.
Un ejemplo de un circuito tal que se utiliza para mediciones de temperatura, se muestra a continuación.
El termistor, se conecta en serie con una pila seca ordinaria y con un ampérmetro, cuando cambia la temperatura alrededor del termistor, cambia también el valor de la corriente, la escala del medidor puede calibrarse o dividirse en grados de manera que pueda realizarse una lectura de temperatura.
Termopar
Es un dispositivo de estado salida que se utiliza para convertir la energía térmica en voltaje, consiste de 2 metales diferentes tipo empalmados en una juntura.
Cuando esta se calienta los electrones en uno de los metales ganan suficiente energía y se vuelven electrones libres, dichos electrones posteriormente se mueven a través de juntura de dicho metal, este movimiento genera un voltaje entre las terminales del termopar, varias combinaciones de metal se utilizan para fabricas los termopares.
Ley de los Metales Intermedios
La suma algebraica de las fem's termales en un circuito de un numero cualquiera de diferentes metales es cero, si todo el circuito estuviera a la misma temperatura.
Consideraciones sobre termopares desarrollados recientemente
Molibdeno - Renio
Este tipo de termopares se recomiendan para temperaturas máximas de 1650°C con aisladores y tubos de protección de oxido de aluminio, se recomiendan su uso únicamente en atmósferas fuertes reductoras o vacías, debido a que el oxigeno libre destruye al termopar, en la actualidad se usa en reactores químicos, tratamiento térmico y hornos al vacío.
Tungsteno - Renio
Este tipo de termopares se recomiendan para temperaturas máximas de 2200°C usándolo con tubos protectores y aisladores de oxido de berilio. Se recomienda para atmósferas inertes reductoras o vacío ya que el oxigeno libre destruye al termopar. No deberá estar sujeto nunca a choques térmicos o vibraciones, es importante hacer notar que el polvo de oxido de berilio es sumamente tóxico cuando se inhala aun en pequeñas cantidades.
Iridio - Iridio Radio
Su máxima temperatura recomendada es de 1000°C y con aisladores de oxido de berilio, se recomienda usarlos en atmósferas oxidantes aun conteniendo azufre libre. Puede tolerar pequeñas cantidades de hidrogeno si la atmósfera es esencialmente oxidante.
PROCEDIMIENTOS DE CALIBRACION
Cuando el instrumento se calibra contra un instrumento de referencia, su exactitud mostrara estar fuera o dentro de los límites de exactitud, si el instrumento esta dentro del límite de medición, el único curso de acción requerido es registrar los resultados de calibración en la hoja de control del instrumento y ponerlo en funcionamiento hasta el siguiente periodo de calibración.
Documentación de los sistemas de medición y su calibración
Todos los sistemas de medición y calibración implementados deben estar documentados, en el caso de pequeñas compañías toda información relevante debo estar contenida dentro de un manual, mientras que una empresa grande generalmente es apropiado tener volúmenes separados cubriendo procedimientos corporativos y divisionales.
Registro de los Instrumentos
Se debe tener un registro separado para cada instrumento del sistema donde se especifique como mínimo.
· Su número de serie.
· El nombre de la persona responsable para su calibración.
· La frecuencia de calibración requerida.
· La fecha de la última calibración.
· Resultados de la calibración.
Estos documentos deben estar en el mismo manual del instrumento
Transmisores Transmisores
Son dispositivos diseñados para enviar señales proporcionales a las variables que están midiendo, internacionalmente se han escogido ciertas gamas para este objeto y son:
Gamas Eléctricas 1 a 5 mA 4 a 20 mA 10 a 50 mAGamas Neumáticas 3 a 15 lb/plg2 (0.21 a 0.5 Kg/cm2) 3 a 30 lb/plg2 (0.21 a 2.1 Kg/cm2)
La razón de estandardizar las gamas de las señales de salida de los transmisores es poder interconectar instrumentos de diversas marcas y uniformizar los receptores, esto permite a los receptores recibir señales de cualquier variable, sin importar la gama de esas variables puesto que todos los transmisores tienen salidas comunes.
Los transmisores neumáticos constituidos de 3 partes principales
1. Elemento de medición.
2. Amplificador (RELIGHT).
Fuelle de retroalimentación.
Directa
Cuando al aumentar la variable la válvula debe cerrar.
Inversa
Cuando al aumentar la variable la válvula debe abrir.
Sistemas Abiertos
Son aquellos que no verifican o rectifican la salida del proceso, esto se refiere a que en estos tipos de sistemas únicamente van a controlar las diferentes variables antes del proceso o durante si.
Sistemas Cerrados
Son aquellos sistemas en donde el aparato de control verifican la salida del proceso. Para este tipo de sistemas se tiene mas control sobre el proceso.
Los sistemas cerrados se clasifican en 2 tipos:
Sistemas Cerrados de Prealimentación.-
Son aquellos sistemas donde el elemento primario de medición ( este puede ser un termómetro o algún otro aparato) se encuentra instalado antes de entrar al proceso y el medio que estamos controlando.
Sistemas Cerrados de RetroalimentaciónSistemas Cerrados de Retroalimentación.-
Son aquellos sistemas en donde el elemento primario de medición, se encuentra en la salida del proceso y el medio que se esta controlando.
Una combinación de ambos se conoce como mixto.
La figura 2 es un sistema de control cerrado de prealimentación; por que mide la variable antes de entrar al proceso y modifica al agente de control para que la variable controlada adquiera el valor deseado. La figura 3, sistema cerrado de retroalimentación. Con la variable controlada (temperatura) medida en la salida del proceso.
1. Proceso / Punto de ajuste. 2. Variable controlada 3. Elementos primarios de medición. 4. Medio de medición. 5. Transmisor. 6. Señal de medición. 7. Controlador. · Punto de ajuste. · Señal controlada. · Elemento final de control. · Agente de control. · Variable manipulada
Proceso
El o los equipos en los cuales la variable controlada va a ser contenida dentro de ciertos valores predeterminados.
Variable de Proceso
Una cantidad o condición física o química se varia en función del tiempo.
Variable Controlada
Es una variable de proceso que es medida y/o controlada por un sistema de control.
Fluido de Medición
Un fluido o energía que lleva la señal producida en el elemento primario o un receptor, que puede ser un indicador, un registrador, un transmisor, etc.
Transmisor
Un dispositivo que detecta la variable controlada a través de un elemento de estado estable varia como una función predeterminada de la variable controlada.
Señal de Medición.
Señal producida en un transmisor 5 elementos primarios y que es medida en forma de presión, corriente, voltaje o energía electromagnética.
Controlador Automático
Un dispositivo que mide el valor de una cantidad o condición variable y opera para mantenerla dentro de sus limites.
Punto de Ajuste
Es el valor de la variable controlada que se desea mantener y es ajustado mecánicamente o por otro medio.
Señal Controlada
También llamada salida del controlador, es una magnitud en presión, corriente o voltaje, obtenida como resultado de una operación en el controlador.
Elemento final de control.
Es la parte del circuito de control que directamente varia al agente de control.
Agente de Control.
Material o energía del proceso que afecta el valor de la variable controlada y su cantidad es regulada por el elemento final de control.
Variable Manipulada
Variable del agente de control que se opera por el elemento final de control y directamente cambia la energía del proceso.
Transductor
Es un dispositivo que convierte un tipo de energía a otra o una carga o movimiento.
En la figura 4 se muestra el circuito para controlar el flujo de una solución química (mezcla) el sistema cuenta con un controlador de flujo magnético.
Lo que se quiere mantener constante y puede ser la alcalinidad o acidez de la solución medidas por su PH, al variar el potencial de la solución el transmisor de flujo magnético que posee mecanismos de control, a su vez, por medio de una señal neumática acciona una válvula que puede regular o cerrar el paso de la solución a la tubería de la alimentación.
Se muestra un circuito de control sencillo; su funcionamiento es el siguiente, al llegar el fluido al nivel preestablecido, el flotador sube y envía una señal mecánica al controlador neumático que envía una señal neumática a la válvula de entrada al tanque que cierra la alimentación.
El circuito de control se utilizado para controlar la temperatura de un fluido que es calentado por medio de un flujo de vapor, cuando la temperatura varia con relación a un valor ya fijado, un elemento sensor de temperatura envía una señal al controlador del sector, que a su vez por medio de una señal neumática cierra la llave o válvula de alimentación de vapor.
Error
Es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el valor real de variable medida.
Error Angular o de Linealidad
Aparece en el centro de la gama cuando las lecturas son ciertas al principio y al final de la escala.
Error Dinámico
Diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el valor leído por el instrumento y es afectado por las condiciones dinámicas del proceso.
Error de Multiplicación
Se presenta cuando incrementa o disminuye a lo largo de la escala.
Error Estático
Error obtenido cuando el proceso esta en régimen permanente y la variable medida no cambia su valor.
Error Lineal o de Cero
Es constante a lo largo de la escala.
Errores de Medición
Se tienen 2 familias de errores
1. Propios del sistema.
2. Por patrones falsos
3. Los instrumentos de medición generalmente garantizan el 1% de precisión, cuando se requiere mayor precisión implica mayor costo, hay cuidar que el patrón cumpla con los requerimientos.
Hay 2 o 3 tipos de fuentes
Ruidos de Medición Interno.
Se pueden meter a nivel de elemento primario (termopar), en la transmisión es donde se introduce ruido ya que por ejemplo, el termopar mide bien pero en la transmisión se introducen ruidos que afectan la medición.
a. En elementos primarios.
b. En todo lazo de comunicación.
c. EN elementos receptores (es donde existen mas errores)
Los errores mas comunes son de interpretación y observación que son: paralaje, interpolación, conocimientos del operador
Ruidos Exteriores
Se deben a perturbaciones del medio ambiente (ondas de radio, efectos electromagnéticos). Todos los cables de instrumentación son blindados y torcidos para reducir la influencia externa al mínimo en las cajas de conexión se tienen problemas de mala conexión a tierra.
Tiempo de Respuesta
La mayoría de los instrumentos de medición están calibrados para que trabajen como sistemas de 2° orden critico (sistema electromecánico), la constante de tiempo del sistema, la mayoría de las variables físicas se calibran para tiempo critico pero aun así tienen atraso.
Termistores
Los resistores térmicos son dispositivos que se diseñan usualmente de manera que su resistencia disminuya cuando aumenta la temperatura, se fabrican compuestos llamados óxidos los cuales son combinaciones de oxigeno y metales, como magnético, níquel, cobalto. Los termistores se presentan en varias formas:
· Arandela
· Perla
· Disco
· Cilíndrico
Puesto que la resistencia de un termistor cambia con la temperatura, funciona como un resistor controlado por el calor y por ellos mismo puede emplearse como un sensor de calor, este es un dispositivo que convierte los cambio de temperatura en cambios correspondientes del valor de la corriente en un circuito.
Un ejemplo de un circuito tal que se utiliza para mediciones de temperatura, se muestra a continuación.
El termistor, se conecta en serie con una pila seca ordinaria y con un ampérmetro, cuando cambia la temperatura alrededor del termistor, cambia también el valor de la corriente, la escala del medidor puede calibrarse o dividirse en grados de manera que pueda realizarse una lectura de temperatura.
Termopar
Es un dispositivo de estado salida que se utiliza para convertir la energía térmica en voltaje, consiste de 2 metales diferentes tipo empalmados en una juntura.
Cuando esta se calienta los electrones en uno de los metales ganan suficiente energía y se vuelven electrones libres, dichos electrones posteriormente se mueven a través de juntura de dicho metal, este movimiento genera un voltaje entre las terminales del termopar, varias combinaciones de metal se utilizan para fabricas los termopares.
Ley de los Metales Intermedios
La suma algebraica de las fem's termales en un circuito de un numero cualquiera de diferentes metales es cero, si todo el circuito estuviera a la misma temperatura.
Consideraciones sobre termopares desarrollados recientemente
Molibdeno - Renio
Este tipo de termopares se recomiendan para temperaturas máximas de 1650°C con aisladores y tubos de protección de oxido de aluminio, se recomiendan su uso únicamente en atmósferas fuertes reductoras o vacías, debido a que el oxigeno libre destruye al termopar, en la actualidad se usa en reactores químicos, tratamiento térmico y hornos al vacío.
Tungsteno - Renio
Este tipo de termopares se recomiendan para temperaturas máximas de 2200°C usándolo con tubos protectores y aisladores de oxido de berilio. Se recomienda para atmósferas inertes reductoras o vacío ya que el oxigeno libre destruye al termopar. No deberá estar sujeto nunca a choques térmicos o vibraciones, es importante hacer notar que el polvo de oxido de berilio es sumamente tóxico cuando se inhala aun en pequeñas cantidades.
Iridio - Iridio Radio
Su máxima temperatura recomendada es de 1000°C y con aisladores de oxido de berilio, se recomienda usarlos en atmósferas oxidantes aun conteniendo azufre libre. Puede tolerar pequeñas cantidades de hidrogeno si la atmósfera es esencialmente oxidante.
PROCEDIMIENTOS DE CALIBRACION
Cuando el instrumento se calibra contra un instrumento de referencia, su exactitud mostrara estar fuera o dentro de los límites de exactitud, si el instrumento esta dentro del límite de medición, el único curso de acción requerido es registrar los resultados de calibración en la hoja de control del instrumento y ponerlo en funcionamiento hasta el siguiente periodo de calibración.
Documentación de los sistemas de medición y su calibración
Todos los sistemas de medición y calibración implementados deben estar documentados, en el caso de pequeñas compañías toda información relevante debo estar contenida dentro de un manual, mientras que una empresa grande generalmente es apropiado tener volúmenes separados cubriendo procedimientos corporativos y divisionales.
Registro de los Instrumentos
Se debe tener un registro separado para cada instrumento del sistema donde se especifique como mínimo.
· Su número de serie.
· El nombre de la persona responsable para su calibración.
· La frecuencia de calibración requerida.
· La fecha de la última calibración.
· Resultados de la calibración.
Estos documentos deben estar en el mismo manual del instrumento
Transmisores Transmisores
Son dispositivos diseñados para enviar señales proporcionales a las variables que están midiendo, internacionalmente se han escogido ciertas gamas para este objeto y son:
Gamas Eléctricas 1 a 5 mA 4 a 20 mA 10 a 50 mAGamas Neumáticas 3 a 15 lb/plg2 (0.21 a 0.5 Kg/cm2) 3 a 30 lb/plg2 (0.21 a 2.1 Kg/cm2)
La razón de estandardizar las gamas de las señales de salida de los transmisores es poder interconectar instrumentos de diversas marcas y uniformizar los receptores, esto permite a los receptores recibir señales de cualquier variable, sin importar la gama de esas variables puesto que todos los transmisores tienen salidas comunes.
Los transmisores neumáticos constituidos de 3 partes principales
1. Elemento de medición.
2. Amplificador (RELIGHT).
Fuelle de retroalimentación.