Instrumentacion Industrial Instrumentos y Control Diagramas de Proceso V3_09

Instrumentación y Control de Procesos

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CENTRO CARRERAS TÉCNICAS

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

INTRODUCCIÓN

Si analizamos nuestras actividades cotidianas, desde el momento que suena la alarma de un

despertador y nos preparamos para desarrollar nuestras actividades diarias, así como encender un

foco o escuchar el encendido o apagado del motor de la bomba, etc., nos auxiliaremos de

instrumentos que nos ayudan a desarrollar ciertas actividades oportunamente con eficiencia,

rapidez, etc.

De igual manera mecánicos, electricistas, médicos, ingenieros y arquitectos, se auxilian de

instrumentos para llevar a cabo sus actividades diarias, con el objetivo de lograr un avance con la

mayor eficiencia, calidad y volumen de producción.

Es lógico pensar que para las industrias, sin importar el tamaño de estas, es imprescindible el uso de

instrumentos industriales, para facilitar la manufactura de sus productos.

Como consecuencia de la globalización de los mercados internacionales, ha obligado a los países

del tercer mundo a competir en el mercado con productos de calidad, precio y tiempos de entrega

oportunos.

Para lograr lo anterior es importante, que los industriales de nuestro país, implementen la

instrumentación y la automatización de sus procesos con el avance tecnológico requerido para

mantenerse en el mercado nacional e internacional si es posible.


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¿QUE ES LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL?

Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados para apoyar al usuario en

la medición, regulación, observación, transformación, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada

en un proceso productivo.

Los instrumentos industriales pueden realizar las siguientes funciones:

1. Sensar o captar una variable

2. Acondicionar una variable dada

3. Transmitir una variable

4. Controlar una variable

5. Indicar la magnitud de una variable

6. Totalizar una variable

7. Registrar una variable

8. Convertir una variable

9. Alarmar por magnitud una variable

10. Interrumpir o permitir una secuencia dada

11. Transmitir una señal

12. Amplificar una señal

13. Manipular una variable del proceso

DEFINICIONES PARA EL ANALISIS DE INSTRUMENTOS

Y SISTEMAS DE MEDICIÓN Y CONTROL

Antes que todo para introducirnos al mundo de la medición e instrumentación haremos una pequeña

introducción al control, ya que por lo general el objetivo de toda buena medición, es obtener un

buen control:

1. VARIABLE: Es cualquier elemento que posee características dinámicas, estáticas, química y

físicas bajo ciertas condiciones, que constantemente se pueden medir.

2. VARIABLE CONTROLADA: Es la variable directa a regular, sobre la que constantemente

estamos pendientes ya que afecta directamente al proceso, es decir, es la que dentro del lazo de

control es captada por el transmisor para originar una señal de retroalimentación.

3. VARIABLE MANIPULEADA: Es la que se modifica para afectar directamente a la variable

controlada, es la herramienta para modificar la variable directa en el proceso. Es la cantidad que se

encarga de variar los instrumentos finales de control. Es el mensaje del controlador que transmite

modificaciones para lograr lo esperado de la variable controlada.

4. PROCESO: Es un desarrollo que es realizado por un conjunto de elementos cada uno con ciertas

funciones que gradual y progresivamente producen un resultado final.


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5. SISTEMA: Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un

objetivo. Como ejemplo, Sistema en donde las válvulas son utilizadas para manipular el caudal con

el fin de controlar el nivel en los tanques.

6. PERTURBACION: Señal que afecta la respuesta real de un sistema, produciendo un error en la

medida. Como ejemplo, los campos magnéticos, la inductancia etc. Depende de la sensibilidad de

los equipos.

7. CONTROL RETROALIMENTADO: Es el que auto corrige las perturbaciones, eliminando los

errores para obtener la salida ideal. Una plancha posee un dispositivo que mantiene la temperatura

deseada, es decir, si se sube la temperatura abre el circuito de alimentación de las resistencias y si se

baja lo cierra para que calienten. Como ejemplo, Los servo-sistemas son también de este tipo, solo

que su salida son elementos mecánicos, un brazo de un robot o una válvula auto regulada o

piloteada.

8. SISTEMA DE CONTROL DE PROCESO: Es un sistema de regulación automático, que

determina la respuesta de la variable, en función de virtudes programadas en el sistema.

9. SISTEMA DE CONTROL DE BUCLE O LAZO CERRADO: Es el sistema de control

retroalimentado, donde la señal pasa por el controlador, es comparada y reenviada para establecer el

setpoint o parámetro esperado.

10. SISTEMA DE CONTROL DE BUCLE O LAZO ABIERTO: Es el sistema donde la salida no

tiene efecto sobre la acción del control, no hay comparación entre el valor medido en la salida

respecto a la entrada, es el camino que sigue la señal sin retroalimentación. Por ejemplo las

instalaciones de bombillos de navidad que mientras se encienden unas las otras se apagan, todo esto

es controlado en función del tiempo sin importar que tanto alumbren los bombillos.

Entre lo concerniente al bucle cerrado es su virtud de usar una señal de retroalimentación que lo

dispone a estar en constante ajuste evitando relativamente la inestabilidad a perturbaciones externas

ya que para este sistema es de gran importancia el manejo de las desviaciones mientras que para el

abierto no es de tanta incidencia, lo que recomienda que para todo sistema donde se conocen las

entradas y no hay perturbaciones se debe usar el lazo abierto.

11. SISTEMA DE CONTROL ADAPTABLE: Es la capacidad intuitiva de un sistema para decidir

parámetros de auto-ajuste debido a los posibles errores aleatorios y sistemáticos que se presenten.

12. SISTEMA DE CONTROL CON APRENDIZAJE: son sistemas donde el operador hace las

veces de controlador y donde día a día se gana experiencia en el manejo de los parámetros

modificables del sistema.

13. INSTRUMENTO: Es un dispositivo que se encarga de interpretar señales proporcionales a la

magnitud de la variable.

14. INSTRUMENTOS CIEGOS: No tienen indicación visible, son todos aquellos que generalmente

son de manipulación como interruptores, termostatos, presostatos, válvulas, transmisores etc. que

solo cumplen con su trabajo sin la necesidad de expresar los cambios graduales de la señal


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15. INSTRUMENTOS INDICADORES: Poseen una escala para expresar la equivalencia de los

datos al operador, pueden ser manómetros, tensiómetros, entre otros. Pueden ser concéntricos,

excéntricos y digitales.

16. INSTRUMENTOS REGISTRADORES: Expresan la señal con trazos continuos o puntos.

17. ELEMENTO FINAL DE CONTROL: Es el instrumento que recibe las señales del sistema

tomadas por el controlador y las ejecuta directamente sobre la variable controlada.

18. ELEMENTO PRIMARIO DE MEDIDA: Es el instrumento que esta en contacto directo con la

variable y dispuesto a transmitir cualquier transformación de energía en el medio.

19. RANGO: Es el campo de medida para cualquier numero de valores que siempre deben estar

entre un limite superior e inferior según las especificaciones del instrumento.

20. ALCANCE: Es la diferencia entre los límites superior e inferior del rango, es lo equivalente al

área de operación.

21. ELEVACION DE CERO: Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera al valor

inferior del campo de medida.

22. SUPRESION DE CERO: Es la cantidad de desfase que hay por debajo del valor inferior del

rango.

23. SENSIBILIDAD: Es el mínimo cambio al que el instrumento censa y puede expresar.

24. ZONA MUERTA: Son aquellas donde la sensibilidad del instrumento es nula lo que hace que

no cambie su indicación y señal de salida.

En el valor cero de la variable marca 3 psi, y en el valor al 100% de la variable marca 15psi. Luego

la supresión de cero está entre 0 y 3psi y la elevación de cero está entre 3 y 4psi. La zona muerta es

equivalente 7psi -+1%.

25. ERROR: Es la diferencia entre el valor leído del instrumento y el valor real de la variable.

26. PRECISION: Grado de reproductibilidad de las mediciones.

27. EXACTITUD: Cuando la lectura se acerca al valor real de la variable.

28. HISTERESIS: Algunos instrumentos presentan un fenómeno de descompensación que existe

cuando se hace una comparación entre la variación de una misma medida tanto a nivel descenderte

como ascendente, que en realidad debería de tener el mismo recorrido. Se expresa en porcentaje,

por ejemplo si un manómetro de 0-100% la presión real es de 18 psig y la lectura en el indicador

marca 18.2 psig al ir del cero al 100% de la variable y cuando se encuentra la variable en 18 al

desplazarse del cien al 0% el valor indicado es 17.7 la histéresis se calcularía así: (18.2 - 17.7/100 -

0) * 100 =+- 0.5 %

29. FIABILIDAD: Es la probabilidad de que el instrumento permanezca en ciertos límites de error.


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30. TRAZABILIDAD: Propiedad del resultado de las mediciones efectuadas con un instrumento o

con un patrón, tal que puede relacionarse con patrones preestablecidos, mediante una cadena

ininterrumpida de comparaciones con todas las incertidumbres determinadas.

31. RUIDO: señales impuras que afectan a las diferentes señales del sistema de medición.

32. RESOLUCION: Es la de visualización a escala del instrumento.

33. LINEABILIDAD: Es la proporcionalidad directa y libre de errores con equivalencias de alta

calibración.

34. ESTABILIDAD: son los instrumentos de alta calidad, que tienen una probabilidad de tener una

larga vida útil.

35. TEMPERATURA DE SERVICIO: Son las temperaturas de trabajo del instrumento.

36. REPRODUCTIBILIDAD: Reproducción de una medida cuando la variable se encuentra en un

parámetro constante.

37. REPETIBILIDAD: Especifica la habilidad del instrumento para entregar la misma lectura en

aplicaciones repetidas del mismo valor de la variable medida. Así, por ejemplo, si a una misma

presión de 25 psig., un manómetro de precisión de 1 psi., entrega las lecturas de 25,5; 26; 24,3; y 24

psig. su operación es repetible; una lectura de 27 psig. Indicaría un problema de repetitividad del

instrumento (a menos que conste que fuese un problema de histéresis).

38. TRANSMISOR: Capta la señal del elemento primario de medida y la transmite a distancia en

forma eléctrica, neumática, hidráulica, mecánica y ultrasónica.

39. TRANSDUCTOR: Dispositivo que recibe una o varias señales provenientes de la variable

medida y pueden modificarla o no en otra señal.

40. CONVERTIDOR: Es el que se encarga de modificar la señal de entrada y la entrega en una

señal de salida estándar.

41. SEÑAL: Salida que emana del instrumento. Información representativa de un valor

cuantificado.

42. SEÑAL ANALOGA: Es una función continua de la variable medida.

43. SEÑAL DIGITAL: Representa la magnitud de las variables medidas en forma de una serie de

cantidades discretas codificadas en un sistema de notación.

44. SET POINT: Punto en que una señal se establece bajo ciertos parámetros deseados. Es un punto

de consigna para valor de la señal de la variable.


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INSTRUMENTOS DE PROCESO

Para manejar (operar) una planta es necesario conocer el valor de las propiedades en proceso,

utilizar esta información para diagnosticar la mejor forma de operar el proceso y disponer de medios

de modificar el proceso en el grado deseado. Esta secuencia:

1. Medir;

2. Decidir;

3. Actuar.

Es válida desde el manejo de una sola variable o propiedad (por ejemplo, para obtener un cierto

flujo es necesario medirlo, compararlo con el flujo deseado y manejar una válvula o una bomba a

fin de satisfacer el requerimiento) hasta una planta completa donde la medición de una propiedad en

el producto terminado puede implicar acciones sobre operaciones al inicio de la línea de proceso.

Dado que la selección de las variables a medir y sobre las que actuar es un aspecto empírico, se

deberá disponer de una batería de conocimientos desagregados desde donde realizar la selección de

instrumentos. Se entiende por instrumento tanto los sistemas de medición (sensores) como los de

manipulación (actuadores: motores, bombas, válvulas, agitadores, etc.).

Clasificar los Instrumentos Industriales

Implica entrar a un tema muy amplio, ya que se requiere un conocimiento tanto teórico como

práctico en la aplicación industrial de estos equipos.

De acuerdo a la experiencia se tratará de hacer algunas clasificaciones en forma breve y lo más

explicito posible para el lector:

Por su aplicación:

Neumáticos

Hidráulicos

Eléctricos

Electrónicos

Electromecánicos

Mixtos

Transductores

Amplificadores

Indicadores

Analizadores

Estación de operador

Estación de control

Estación de transferencia

Relevador de cálculo.


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Por su localización:

Instalados en campo

Instalados localmente

Instalados en tablero principal

Instalados remotamente.

Por su tecnología:

Sistemas discretos

Sistemas de control digital directo

Sistemas de supervisión

Sistemas de control supervisor

Sistemas de control supervisor y adquisición de datos

Sistemas de control distribuido

Sistemas de control avanzado

Sistemas de control adaptables

Sistemas expertos.

CARACTERÍSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS

EL SENSOR O CAPTOR:

Este es el instrumento capaz de captar las variaciones de las magnitudes o intensidades de las

variables, tales como:

Temperatura

Nivel

Flujo

Presión

Conductividad

PH

Tensión eléctrica

Potencia eléctrica

Revoluciones por minuto

Posición

Intensidad de radiación

Turbidez

Intensidad luminosa

Consistencia.

Este instrumento puede estar como elemento unitario o integrado a un transmisor según sea el tipo

de aplicación.


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INSTRUMENTOS ACTIVOS - PASIVOS.

Instrumento Activo

Un ejemplo es un indicador de nivel de un tanque como se muestra en la figura.

El cambio de nivel en el tanque mueve el brazo de un potenciómetro y la señal de salida consiste en

una proporción de la fuente de voltaje externo aplicado en las terminales del potenciómetro.

Instrumento Pasivo

En este ejemplo es un dispositivo de medición de presión,

la presión del fluido se traduce en movimiento de un

apuntador contra una escala. La energía gastada

moviendo el apuntador es derivada del cambio de presión

medida, no hay otras entradas de energía al sistema.


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Sensores y Transductores

Se llama sensor al instrumento que produce una señal, usualmente eléctrica (antaño se utilizaban

señales hidráulicas), que refleja el valor de una propiedad, mediante alguna correlación definida (su

ganancia).

En términos estrictos, un sensor es un instrumento que no altera la propiedad sensada. Por ejemplo,

un sensor de temperatura sería un instrumento tal que no agrega ni cede calor a la masa sensada, es

decir, en concreto, sería un instrumento de masa cero o que no contacta la masa a

la que se debe medir la temperatura (un termómetro de radiación infrarroja, p.e.)

Existe, además, el concepto estricto de transductor: un instrumento que convierte

una forma de energía en otra (o una propiedad en otra). Por ejemplo, un generador

eléctrico en una caída de agua es un conocido transductor de energía cinética de un

fluido en energía eléctrica; sobre esta base se podría pensar, por ejemplo, en un

transductor de flujo a señal eléctrica consistente de un pequeño generador a paletas

movilizado por el caudal a medir. Los transductores siempre retiran algo de

energía desde la propiedad medida, de modo que al usarlo para obtener la

cuantificación de una propiedad en un proceso, se debe verificar que la pérdida no

impacte al proceso sensado en alguna magnitud importante.

Para ilustrar la diferencia entre sensores y transductores se discutirá un transductor

y un sensor de velocidad de giro de un eje, utilizado típicamente para manejar el

grado de mezcla de un reactor en el que cambian las propiedades reológicas de un

fluido no newtoniano. Para medir el grado de agitación se utilizan correlaciones

que indican, finalmente, que el mezclado es función de la velocidad angular del eje de impulsión

(además del tipo de aspa, del radio, la profundidad, etc.). Para medir la velocidad angular del eje se

utilizan tacómetros: instrumentos para medir frecuencia angular de rotación (es decir, número de

vueltas en una unidad de tiempo, usualmente expresado en revoluciones por minuto o RPM).

Tal como indica la figura, el giro del eje puede ser utilizado para mover un generador de corriente

continua y la medición del potencial generado será una medición de la frecuencia de giro. En este

caso, la energía cinética del eje de agitación es acoplada a un transductor (el generador de corriente

continua) que transduce su frecuencia de giro a un voltaje medible. La propiedad se mide,

finalmente, como un voltaje o potencial voltaico. El generador eléctrico necesita, obviamente, una

potencia que lo moviliza; esta potencia será provista por el eje del agitador y, por ende, le reducirá

la potencia al fluido que se debe agitar. Por pequeña que sea la potencia absorbida por el

transductor, esta existe y es de alguna magnitud finita.

Alternativamente, se puede utilizar un sensor consistente de una fuente de luz y un sensor luminoso.

Bastará oscurecer un segmento del eje y hacer reflectante su complemento para obtener una señal de

frecuencia en el sensor luminoso. Esta señal de frecuencia puede ser medida directamente por un

medidor de frecuencia o rectificada para ser medida como voltaje. El punto importante es que en

lugar de utilizar la energía del eje se utiliza un sistema que tiene su propia fuente de energía (en la

forma de luz). Este segundo sistema, que no absorbe energía ni potencia de la propiedad a medir es

un sensor en sentido estricto. Debe resultar evidente para el alumno que el primer sistema

(generador adosado al eje) debe frenar, en algún grado, el eje para poder generar la señal

proporcional a la velocidad de giro del eje.


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En el terreno de la instrumentación y control se habla de sensores, para englobar tanto transductores

como sensores, dándose por sentado que cuando se utilizan transductores, la potencia que se

absorberá será mínima. Es decir, es responsabilidad del diseñador asegurar que la medición de una

propiedad no altere el proceso.

Sensores comunes para Temperatura

Termocuplas

En el año 1821, Seebeck notó que al juntar dos conductores de metales distintos, de manera que se

forme un circuito eléctrico cerrado, fluía una corriente eléctrica que dependía de la diferencia de

temperatura entre las junturas.

La figura despliega una "termocupla" donde los cables metálicos A y B son distintos (alambres de

cobre y de constantan, por ejemplo) y T1 y T2 son dos temperaturas distintas; la letra "i" representa

la corriente que fluye (en la dirección indicada por las flechas) cuando T1 < T2. En tal caso el metal

A se dice termoeléctricamente positivo respecto del metal B. El estudiante recordará el fenómeno,

como propiedad de los metales, de modo que ahorraremos aquí las explicaciones del principio de

funcionamiento de una termocupla y bastará destacar que es gracias a las propiedades

fundamentales de los metales que se puede construir una termocupla.

A pesar de lo anterior, es importante destacar que las termocuplas funcionan con un punto frío y

otro caliente. La "juntura fría" suele ser parte del instrumento amplificador, asunto que debe ser

verificado al seleccionar equipos.

Existen varios tipos de termocupla, puesto que cualquier par de metales conformaría un tipo

determinado. Sin embargo, la empírica ha llevado al uso de ciertos tipos estandarizados, a los que se

les cita por una letra (las más típicas son las tipo J, K y T). Cada tipo difiere en el material de los

metales A y B. Al diferir los materiales de construcción difieren los rangos de trabajo, el voltaje

generado por unidad de grado y la máxima temperatura útil (antes que se funda).

Por su naturaleza, las termocuplas presentan una resistencia prácticamente nula y su capacidad de

generar potencia es muy débil. El amplificador a utilizar debe solicitar el mínimo posible de

corriente desde la termocupla.


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Termómetros por Resistencia Eléctrica de Metales

La resistencia de los metales es función de la temperatura a que se encuentran. Para los metales

preciosos, la dependencia de la resistencia eléctrica con la temperatura es prácticamente lineal,

dentro de rangos más bien amplios. En particular, los estándares de sensores de temperatura para

instrumentación más tradicionales se basan en la resistividad del platino, en el sensor conocido

como "PT100". La precisión de estos instrumentos puede llegar a la centésima de grado centígrado.

En particular, el estándar británico BS 1904 Industrial platinum resistance thermometer elements,

provee detalles constructivos y características eléctricas para este tipo de termómetro, en el rango

desde -220ºC a 1.050ºC (si bien no se les suele utilizar más allá de unos 700ºC). El elemento más

típico tiene una resistencia de 100 a 0ºC (de allí el nombre: PT100) y su resistencia cambia a

10,45 a -220ºC; 138,50 a 100ºC y 446,3 a 1.050ºC (se podrá observar que no es

estrictamente lineal). La forma de la relación entre temperatura y resistencia (según el BS 1904) es:

donde T es la temperatura del elemento, R(T) su resistividad, R(T=T0) la resistencia a 100ºC, X1 un

coeficiente de ajuste de valor 3,901X10-3 y X2 otro parámetro de ajuste de valor 1,4923. Se

observa que la corrección se debe, precisamente, a la no linealidad de la relación de la resistencia

del elemento con temperatura. Se denominará ganancia del sensor a este tipo de correlaciones.

Termistores

Los termistores aprovechan, al igual que el ya visto PT-100, la dependencia que presenta la

resistencia eléctrica de cualquier material conductor con la temperatura. La sensibilidad a la

temperatura se ha exacerbado gracias a la utilización de materiales semiconductores,

específicamente diseñados para que su resistencia dependa agudamente de la temperatura

del elemento. Existen termistores de coeficiente positivo (su resistencia aumenta con la

temperatura) o negativo, siendo este último más típico y de bajo costo.

En los termistores se observan relaciones de la resistencia con la temperatura que no son

lineales, sino más bien de carácter exponencial. Para termistores comerciales comunes, la

relación es del tipo

donde "R(T)" es la resistencia (en ohms, abreviado por la letra griega ) observada a temperatura

"T", la que depende de un primer parámetro dado por la resistencia a una temperatura conocida

"R(T=T0)", típicamente 25ºC, y de un segundo parámetro de ajuste "x". Como caso ejemplo, "x"

valdrá del orden 4.000 y R(T=25ºC) valdrá del orden 800 .


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En ambos casos (PT100 y termistores), dado que se mide resistencia, se debe cuidar, en primer

lugar, que la resistencia de los cables de conexión (que también cambia con la temperatura) no

incida sobre la medición y, en segundo lugar, que la corriente que circule por el elemento para

medir su resistencia sea lo suficientemente pequeña como para calentar sólo mínimamente el propio

sensor. A ese fin se utilizan sistemas de compensación que incorporan cables idénticos pero sin el

sensor, en el brazo adyacente de un puente de Wheaston, amén de circular una corriente nula por el

sensor.

Generador de corriente en función de la Temperatura

Se han desarrollado más recientemente (1992) circuitos integrados (por ejemplo, el LM35A) que se

comportan como una fuente de corriente en función de la temperatura. El artefacto es lineal en todo

su rango de operación (desde 0ºK hasta que se funde, en el orden de los 150ºC) y genera,

sistemáticamente, 10-6 A/ºK (si bien existen versiones que generan 10-6 A/ºC y 10-6 A/ºF). Este

pequeño circuito integrado ofrece excelentes posibilidades de utilización, porque la transmisión de

corriente significa la independencia de la resistencia eléctrica de los conductores utilizados para su

conexión, si bien el artefacto incrementa su propia temperatura en algunas centésimas de grado

centígrado.

Pirómetros

Cabe, naturalmente, preguntarse cómo medir la temperatura en equipos de proceso cuya

temperatura exceda la de fusión del elemento sensor (por ejemplo, hornos de fundición de metales).

En tal caso, se recurre a los pirómetros ópticos. Estos sensores se basan en la radiación de cuerpos

negros y contienen en su interior un filamento que debe poder alcanzar la misma temperatura del

cuerpo medido (al menos). Al dirigir el pirómetro al cuerpo caliente, se observa un filamento (frío)

que destaca contra la radiación del objeto observado. El filamento recibe potencia y se calienta

hasta que "desaparece" del campo visual. En ese momento la temperatura del filamento y del cuerpo

radiante son la misma. Si se gradúa el control de potencia (una perilla) en los grados Kelvin del

filamento a una u otra posición, se podrá leer la temperatura en esta escala. En el caso de pirómetros

automáticos, la temperatura se conoce por el voltaje y corriente (es decir, potencia) que se aplica al

filamento cuando las radiaciones son iguales. (en el caso de cuerpos que viajan a alta velocidad se

debe corregir su efecto Doppler).

Pirómetros de baja temperatura

Gracias a los grandes avances en microelectrónica y en sensibilidad instrumental, se comercializan

comúnmente termómetros sin contacto, basados también en la radiación infrarroja de los cuerpos

según su temperatura. Este tipo de termómetros son muy útiles para medir la temperatura de

sistemas en movimiento (por ejemplo un rodamiento) en los que no se podría instalar un

termómetro que requiera equilibrio térmico. La precisión actual (1999) de estos termómetros es del

orden del grado centígrado, lo que podría limitar sus aplicaciones.


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Mediciones de Potencial

Electrodo de medición de Potencial de Óxido Reducción (Eh)

Una reacción de óxido reducción es aquella que implique intercambio de electrones entre especies

atómicas (i.e. se producen cambios de valencia). Estas reacciones producen potenciales (voltajes)

medibles y predecibles; como es sabido, las concentraciones relativas de las especies oxidantes y

reductoras puede ser medida al determinar el potencial. La medición se puede realizar insertando en

la solución un electrodo conductor no reactivo (Pt, Au, etc.) y un electrodo de referencia; la fuerza

electromotriz establecida entre estos dos electrodos (medido con una mínima o nula circulación de

corriente) es una función del potencial de óxido reducción (POR o Eh). Esta medición es la

diferencia de los voltajes establecidos en cada electrodo y si la referencia fuese un electrodo de

hidrógeno gaseoso, la medición arrojaría, precisamente, el potencial de óxido reducción real de la

solución (porque hemos establecido, por convención, que el potencial del electrodo de hidrógeno

gaseoso es, precisamente, cero y establece la escala de medición).

Como el uso de electrodos de hidrógeno gaseoso es dificultoso y caro, se utilizan electrodos de

referencia sólidos y bastará corregir el potencial medido mediante el potencial de la referencia (una

simple resta). La práctica común es utilizar electrodos de referencia de "plata/cloruro de plata" o de

"calomel".

Existen dos convenciones para la polaridad de la medición del Eh. La convención americana

considera el potencial de la solución que rodea al electrodo noble, mientras que la convención

europea considera el potencial del electrodo noble (que es numéricamente idéntico pero de signo

inverso). La gran mayoría de los instrumentos de medición de Eh utilizan la convención europea.

Damos por sabido que los valores de Eh de muy diversas soluciones se encuentran ampliamente

reportados en la literatura. Sólo es necesario enfatizar que tales tabulaciones se basan en referencia

a un electrodo de hidrógeno, a 25ºC y 1 atm., y deben ser corregidas por el Eh del electrodo de

referencia, la temperatura y la presión de operación que se utilice en la aplicación práctica.

La forma general de la ecuación de Nernst, especifica que el Eh que se observe, en volts, será una

función estricta de las actividades relativas de especies oxidantes y reductoras:

Donde R es la constante universal de los gases, T es la temperatura de la solución, F es la constante

de Faraday, n es el número de electrones de la reacción de OR, ESTD es el potencial estándar de la

reacción, y E es el potencial de la reacción observada. Puede ser útil recordar que, en condiciones

estándar, RT/F=0,0591.

De Nernst sabemos que el potencial puede ser predicho, a partir de las actividades de las especies

oxidantes y reductoras, pues el potencial depende de sus actividades relativas. Es más interesante,

sin embargo, notar que la medición permite conocer la relación entre ellas, en el proceso de OR.


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Verificación de la Calibración de Electrodos de Eh

Como cualquier otro método instrumental, los sistemas de medición de Eh deben ser calibrados

contra soluciones de potencial conocido. Cualquier solución serviría, en tanto se prepare de acuerdo

a una relación definida de especies oxidantes a reductoras. El problema resulta de la diferencia entre

concentraciones y actividades. Se debe destacar que, de acuerdo a Nernst, el potencial observado no

requiere de ninguna calibración. Sin embargo, las limitaciones típicas de los métodos instrumentales

rigen también para la medición de Eh (superficie del electrodo activo se ensucia, electrodo de

referencia se envenena, el amplificador ha variado su ganancia en el tiempo, etc.), de modo que es

necesario asegurar las calidad de la medición.

La "reacción conocida" más típica que se utiliza para calibrar o verificar sistemas instrumentales de

medición de Eh se basa en una solución de quinhidrona, preparada en soluciones tampón a distintos

pH. El electrodo se deposita en una solución tampón a pH 4 en el que se han disuelto algunos

gramos de quinhidrona (1 gr./L, p.e.) y se verifica la lectura de Eh. Es deseable constatar un

segundo punto, amén de observar el comportamiento dinámico, mediante la posterior inserción del

electrodo en un tampón a pH 7 que también contenga quinhidrona. La tabla de abajo especifica los

potenciales que deberán leerse. El estudiante observará que los potenciales dependen de la

temperatura (tal y como la ecuación de Nernst describe), del pH (debido a la actividad de protones,

que son especies iónicas positivas) y al tipo de electrodo de referencia (puesto que cada referencia

tiene su propio potencial respecto del Hidrógeno molecular, H2, que conforma el cero de la

referencia de la escala de potenciales electroquímicos).

Potenciales electroquímicos de soluciones de quinhidrona

pH = 4 pH = 7

Electrodo 20ºC 25ºC 30ºC 20ºC 25ºC 30ºC

Hidrógeno 470 462 454 295 285 275

Calomel 223 218 213 47 41 34

Ag/AgCl 268 263 258 92 86 79

Aplicaciones de la medición instrumental de Eh

Aparte de las aplicaciones evidentes que el propio estudiante puede pensar, se suelen utilizar

electrodos de Eh en el monitoreo y control de la oxidación de cianuro; en la reducción de cromato

(típicamente de potasio); flujo de soluciones de cloruro; etc.

Como se ha mencionado, los electrodos de Eh sirven de base para la medición de concentración

(actividad, en realidad) de iones específicos en solución, con tan sólo limitar el paso de iones hacia

el electrodo. Una de las principales aplicaciones ha sido el electrodo de pH (que se discute en

detalle más adelante) y, posteriormente, se fabrican electrodos para sodio, potasio, cobre(II),

cloruro, sulfito, sulfuro, etc.


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Electrodo para la medición de actividad de H+ (pH)

El sistema actual (históricamente) de medición de pH es, por excelencia, el electrodo de

combinación. Su nombre deriva de la práctica inicial en que el electrodo sensor de H+ estaba

separado del electrodo de referencia; la combinación de ambos en una sola estructura llevó a su

nombre actual. Sin embargo, la práctica industrial sigue utilizando electrodos de referencia y de pH

separados, porque permite señales más confiables y procedimientos de mantención que, en ciertos

casos, resultan más controlables y de menor costo.

Estos electrodos son, en realidad, sistemas para medición electroquímica del potencial de

hidrógeno, si bien comúnmente se les llama electrodos de pH.

Nomenclatura

El agua y las soluciones acuosas, se pueden considerar consistentes de partículas cargadas (iones) y

partículas no cargadas (moléculas). Los iones pueden ser positivos o negativos. En cualquier caso,

es sabido que las cargas positivas y negativas deben estar en igual cantidad, de modo que la

solución no presente carga neta.

El agua pura se disocia en hidrógeno ionizado (protones H+) e hidroxilos (OH

-) y el hidrógeno varía

normalmente en concentraciones que van desde 1,0 molar hasta 10-14

molar. Naturalmente, es más

fácil referirse al logaritmo base diez de tales concentraciones, generando así la escala "pH", donde

"p" significa potencial y se expresa como el inverso aditivo (es decir, menos) del logaritmo base

diez de una concentración molar; en este caso de hidrógeno ionizado, es decir, se refiere a la

actividad del hidrógeno. Se debe enfatizar, en este punto, que no se debe confundir la

concentración de iones hidrógeno con la acidez de una solución, la que está dada por la

concentración molar de protones, mientras que el pH está dado sólo por su actividad.

En el año 1909, Sorenson propuso la utilización de la escala de pH en lugar de la concentración

(actividad, en realidad) de hidrógeno. Propuso la expresión "potencial de hidrógeno" que se debía

expresar: pH = -log([H+]).

El pH de una solución se debía determinar midiendo el potencial de una celda voltaica, conformada

por dos alambres de platino, uno inmerso en la solución a pH desconocido y el otro en una solución

a pH conocido y con las dos soluciones conectadas mediante un puente salino convencional y con

gas hidrógeno en ambos electrodos (los alambres son los electrodos) a un presión conocida. El

voltaje de tal celda, de modo similar a cualquier celda voltaica estándar, será dado por la ecuación

de Nernst:

donde el subíndice C se refiere a la celda de concentración conocida mientras que el sub índice M a

la muestra de pH desconocido. Los paréntesis cuadrados indican actividad molar. Obviamente, si

las actividades de H+ y de H2 en la celda de composición conocida (es decir sub "C") fuesen

unitarias, se estaría trabajando con el electrodo estándar de hidrógeno, así que el primer término de


16


la ecuación se hace cero. Además, si la presión del hidrógeno gaseoso fuese 1 atmósfera, el

denominador del término bajo logaritmo sería 1 y el potencial es solamente dependiente de la

concentración de hidrógeno ionizado en la celda que contiene la muestra. Así:

es decir:

que es una expresión útil para medir acidez. El estudiante sagaz observará que la utilización de

logaritmos en lugar de molaridades permite obtener una ganancia (correlación entre estímulo y

respuesta del sensor) de carácter lineal.

Naturalmente, dado que la constante de ionización del agua es 10-7

, se podrá medir también la

actividad del ion hidroxilo.

Hoy en día, el electrodo de pH se ha estandarizado hasta lograr sistemas simplificados en que la

referencia puede ser dada por un electrodo de mercurio (en la forma de calomelano) y el electrodo

activo se encuentra dentro de un vidrio polarizable.

Los electrodos de pH se construyen, usualmente, en vidrio si bien ya se los encuentra con cuerpo de

plástico pero el electrodo activo sigue siendo de vidrio. Los electrodos de vidrio se construyen con

dos tipos de vidrio distintos.

La varilla de soporte del electrodo es de vidrio común (o plástico), no conductor de cargas eléctricas

mientras que el bulbo sensible, al extremo sensible del electrodo, se construye con un vidrio de

formulación especial, conocido como "vidrio sensible al pH" (en realidad, es vidrio polarizable). El

vidrio de pH es conductor de cargas eléctricas porque tiene óxido de litio dentro del cristal, además

de óxido de sílice, de calcio y algunos otros. Según se puede observar en la figura 16, la estructura

del vidrio es tal que permite el intercambio de iones litio por iones de hidrógeno en solución acuosa,

de modo que se forma una capa (fina) hidratada. Se crea así un potencial (del orden milivolts) a

través de la interface creada entre el vidrio (en el "seno" del vidrio) y la solución acuosa. El voltaje

creado hacia el interior del bulbo es constante porque se mantiene su pH constante (mediante una

solución tampón de pH 7) de modo que la diferencia de potencial depende sólo del pH del medio

externo. La incorporación de un alambre (usualmente de Ag/AgCl) permite conducir este potencial

hasta un amplificador (conocido como el "pé-achímetro").


17


Figura 16. Detalle de un electrodo de pH

Interferencias

En la práctica, el electrodo de pH es un sensor de iones positivos en solución, capaces de producir

un intercambio iónico con el litio del vidrio. En general, el electrodo resulta extremadamente

selectivo para iones hidrógeno pero puede ser interferido, en principio, por cualquier otro. La

magnitud de la interferencia depende del tamaño (radio atómico) del ion. En este sentido, se pueden

observar interferencias por litio, sodio y potasio; pero, el potasio ionizado ya es suficientemente

grande como para no interferir significativamente; por otra parte, no es usual trabajar con soluciones

que contengan litio. Así, el interferente principal resulta ser el sodio.

La interferencia por otros iones, en particular sodio, se expresa cuando la actividad de iones de

hidrógeno es muy baja, por ejemplo, a concentraciones de 10-12

(i.e. pH 12, soluciones alcalinas) o

menos (también se podría decir pH mayor). Además, la fórmula específica del vidrio sensible hace

variar la sensibilidad al sodio. El efecto del sodio es que la lectura obtenida indica un valor de pH

mayor (es decir, se lee mayor alcalinidad que la que efectivamente existe) que el de la solución,

porque los iones sodio ocupan sitios de intercambio, impidiendo que "se vea" (se suele decir

"enmascarando") el hidrógeno ionizado de la solución.

Si bien no existen electrodos de vidrio insensibles al sodio, si es posible encontrar electrodos que no

presenten fenómenos de "memoria" de sodio (es decir que quedan con iones de sodio impregnados

al bulbo de vidrio por mucho tiempo) y será tarea del diseñador discriminar el tipo de electrodo que

especifica en un diseño.


18


Riesgos en la aplicación

Naturalmente, la utilización de un electrodo de vidrio en soluciones que reaccionan con vidrio

significará que las propiedades del vidrio sensible cambien y, por lo tanto, que el potencial generado

no refleje el pH después de un tiempo de utilización. Tal es el caso, por ejemplo, de la medición de

pH de soluciones de ácido fluorhídrico. En estos casos se debe recurrir a electrodos de antimonio.

Similarmente, la temperatura debe ser considerada con cierto cuidado. La mayoría de los

amplificadores para electrodos de pH tienen la posibilidad de corregir las desviaciones debidas a la

temperatura, ya que la ecuación de Nernst es dependiente de T (a través del término RT/F). Sin

embargo, un proceso a temperatura constante podría no requerir corrección en el electrodo y, más

bien, ser calibrado con soluciones tampón a la temperatura de proceso; como puede ser difícil

conseguir que las soluciones tampón (que están fuera del proceso) estén a la misma temperatura que

el proceso suele ser preferible incorporar la corrección de temperatura como aditamento estándar.

En tales casos, se debe especificar que el sistema sensor tenga un sensor de temperatura incorporado

y que el amplificador incorpore la compensación del efecto de la temperatura sobre la medición.

La evaluación de la ecuación de Nernst a cualquier pH para soluciones acuosas, arroja un potencial

de 59,2 mV por unidad de pH (a 25ºC). Sin embargo, por características de fabricación, los

electrodos presentan un "potencial de asimetría" que implica que no se obtienen 0 volts en pH 7,00

(a pH 7.00, [H+] = [OH

-] de modo que el potencial debería ser cero). Tampoco es el caso que un

electrodo entregue la misma respuesta a lo largo de su vida; incluso tenues modificaciones de la

calidad de la superficie de la membrana de vidrio hacen que la respuesta esté en torno a la teórica

pero no exactamente. De allí que los electrodos de pH requieren de un amplificador con ajuste de

cero y ajuste de pendiente. En común con muchos otros instrumentos, los ajustes de cero y de

pendiente permiten la "calibración" del instrumento.

La impedancia de los electrodos de pH es del orden de los 1,5 M . Un amplificador para tal

electrodo debiera tener una impedancia de, al menos, unos 100 M , valor típico de los llamados

"peachímetros" (traducción de pH-meter). Por comparación, un tester (o multímetro) moderno tiene

una impedancia de entrada de 11 M , de modo que es también posible utilizar un voltímetro

moderno en conjunto con gráficas de calibración (si bien esta sería una práctica poco aconsejable de

utilizar con operadores de planta).

Los peachímetros suelen proveer una función de milivoltímetro para utilizarlos con electrodos de

medición de potencial electroquímico en general (potencial REDOX o, simplemente, Eh). Ya se ha

destacado que la medición de pH es una medición electroquímica particular, y se debe destacar que

existen cada día más electrodos que se basan en principios electroquímicos, con tan sólo disponer

de membranas que aíslen la actividad de las especies que no se desean medir. Además, el propio

potencial de Nernst (conocido como el Potencial de Oxido Reducción) es una variable de procesos

que se mide con bastante frecuencia.

Al igual que con muchos otros sistemas sensores, la medición deberá ser "ruidosa", es decir,

moverse permanentemente en torno a un valor central, debido a la actividad de los protones en

solución a la temperatura del caso.

El ruido de una medición puede ser visto como una propiedad útil para la mantención y las

garantías de calidad. Por ejemplo, si un sistema sensor de pH indica exactamente el mismo valor


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numérico durante un tiempo (por ejemplo un minuto), es decir si la desviación estándar de la

medición fuese cero (o muy baja), se puede deducir que el sistema sensor no está funcionando y se

deberá reemplazar el electrodo o el amplificador del caso. Esta noción permite desarrollar una

estrategia precisa de vigilancia de la calidad de los sistemas sensores en una planta, a través de

memorizar las características del ruido en un computador.

En el caso específico de los electrodos de pH, no es creíble una medición con mayor precisión que

unas 0,2 unidades de pH, al menos mediante electrodos hasta hoy conocidos.

Calibración de electrodos de pH

Los electrodos de pH, según se mencionó antes, entregan un potencial eléctrico que es

perfectamente comprensible en términos teóricos. Aún así, se destacó que el potencial se ve

afectado por imperfecciones del vidrio sensible (que se polariza o se ensucia) o por contaminación

del puente salino, como factores principales; ambos problemas producen un pequeño potencial fijo

(positivo o negativo) que se suma al potencial de hidrógeno que se desea medir. De allí que el

amplificador (el peachímetro) debe incorporar una regulación del cero, que permita compensar el

potencial que se pudiese generar en el electrodo en pH 7 (es decir, cuando [H+] = [OH

-]). Para

mediciones precisas es necesario, además, que el peachímetro incorpore un mecanismo de

modificación de la ganancia.

Un peachímetro de alta calidad tiene, entonces, dos controles (que pueden ser perillas o sistemas

automáticos) que permiten ajustar la lectura adecuada a pH 7 y a otro valor algunas unidades

alejadas de 7 (típicamente pH 4 o 10). Otros instrumentos, de menor calidad, tienen sólo un

mecanismo de ajuste de la lectura a pH 7.

El procedimiento de calibración consiste en enfrentar el electrodo a una solución a pH 7 y utilizar el

mecanismo de ajuste de 7,00. Naturalmente, si no se dispone de compensación térmica automática,

se debe operar a la temperatura de trabajo o se debe indicar al instrumento la temperatura de la

solución. Se debe asegurar que el electrodo esté en equilibrio con la solución (tampón o buffer),

recurriendo a lecturas espaciadas cada medio minuto (i.e. si tres lecturas espaciadas medio minuto

coinciden, se dará por equilibrado el electrodo con la solución). Utilizando el regulador de cero

(suele ser una perilla marcada "buffer" o un botón similarmente rotulado) se debe llevar la lectura a

7,00 (o cualquiera que sea el valor de la solución tampón).

Una vez ajustado el centro de la escala (en torno a 7,00), el electrodo se contacta con una solución a

algún otro valor, superior o inferior (e.g. pH 4 o pH 10) según sea el rango esperado para las futuras

mediciones. Cuando la lectura esté estable, se utiliza el regulador de ganancia (rotulado "slope" o

algún término similar) para asegurar que la lectura coincida con el pH de la solución. Si el

peachímetro en uso no dispone de ajuste de ganancia, este segundo punto se utiliza para ratificar

operación o para corregir manualmente las lecturas.

La habilidad de preparar soluciones a pH conocido se da por conocida del estudiante, si bien hoy en

día tales soluciones se adquieren preparadas en el mercado de reactivos.


20


Medición de la Conductividad Eléctrica de Soluciones

La conductividad eléctrica de una solución se define, simplemente, como el inverso de la resistencia

eléctrica que se observa en la solución, al circular corriente en condiciones reguladas. Si bien las

unidades bien podrían ser -1

(ohms inversos), por razones históricas, se definió la unidad Siemens,

abreviado "S" y se le encuentra a menudo precedida de modificadores de orden, más frecuentemente

micro (es decir, una millonésima, S) que mili (es decir, una milésima, mS). Al trabajar en

soluciones, es preciso identificar la longitud a través de la que se mide la conductividad, de modo

que la unidad habitual de conductividad de soluciones resulta ser S/cm y la especie se cita como

conductividad.

A pesar de ser un parámetro muy general (pues la conductividad de una solución depende de todas

las especies iónicas en solución) resulta útil porque refleja la salinidad total de una solución de

proceso. Una aplicación clásica en el control de pureza de aguas; por ejemplo, si se desea

monitorear o controlar la pureza del agua obtenida en un sistema de intercambio iónico (al que entra

agua destilada), será puede medir la conductividad de la solución producto para verificar que esté

cerca del valor mínimo teórico de 0,05 S/cm (que es lo mismo que decir que tiene una

resistividad de 18 M /cm Nota: M es la abreviación de "millones", se lee "mega ohms").

Se han tabulado las conductividades específicas de muchas soluciones y tal información se puede

encontrar en libros de datos como los ya citados (handbooks o manuales).

La conductividad se define para un cubo de 1 cm por lado, donde dos lados enfrentados son placas

conductoras. La medición se debe realizar con un mínimo de corriente, so riesgo de acarrear

reacciones electroquímicas. Se recurre, por tanto, a sistemas clásicos en puente de Wheaston (ya

citado) y, habitualmente, alimentado por corriente alterna.

La producción de reacciones electroquímicas en las placas, las corroe con cierta celeridad así es que

se suele recurrir a sistemas que miden la conductividad sin electrodos. Tal sistema de basa en la

inmersión de un transformador toroidal aislado en la solución. El inducido (cable enrollado)

primario recibe una señal de corriente alterna, que induce una corriente alterna en el secundario

(otro cable, enrollado encima del primario). La corriente inducida en el secundario será función de

la conductancia específica del electrolito conformado por la solución bajo análisis.

La localización de un electrodo de conductividad en el proceso es crítica, porque la distribución de

sales disueltas en un volumen líquido puede cambiar si el mezclado se aleja de la idealidad. Esta

apreciación, sin embargo, es válida para el diseño de la localización de prácticamente cualquier

instrumento.

Se debe corregir la lectura por la temperatura de proceso ya que la dilatación térmica y la

aceleración del movimiento browniano afectan la conductividad. El efecto puede ser sorprendente;

considere por ejemplo que el agua deionizada, con una conductividad de 0,05 S/cm a 25ºC se

reduce a un 22% de ese valor a 0ºC y se incrementa en 3 veces a 50ºC.


21


Instrumentos de medición de presión

Introducción

Junto con la temperatura, la presión es la variable más comúnmente medida en plantas de proceso.

Su persistencia se debe, entre otras razones, a que la presión pude reflejar la fuerza motriz para la

reacción o transferencia de fase de gases; la fuerza motriz para el transporte de gases o líquidos; la

cantidad másica de un gas en un volumen determinado; etc. Es también común medir la presión en

una línea para cuantificar caudal, cuando se conoce la pérdida de carga; o pérdida de carga cundo se

conoce el caudal.

La presión queda determinada por la razón de una fuerza al área sobre la que actúa la fuerza. Así, si

una fuerza F actúa sobre una superficie A, la presión P queda estrictamente definida por la razón

P=F/A. Dado que tanto la fuerza como el área son de naturaleza vectorial, la presión es una

magnitud escalar (es decir, sólo tiene magnitud, no dirección).

Manómetro de tubo en forma de "U"

Los instrumentos utilizados para medir presión reciben la denominación:

"manómetros".

La forma más tradicional de medir presión en forma precisa utiliza un tubo

de vidrio en forma de "U", donde se deposita una cantidad de líquido de

densidad conocida (para presiones altas, se utiliza habitualmente mercurio

para que el tubo tenga dimensiones razonables; sin embargo, para presiones

pequeñas el manómetro en U de mercurio sería poco sensible).

Este tipo de manómetros tiene una ganancia que expresa la diferencia de

presión entre los dos extremos del tubo mediante una medición de

diferencia de altura (es decir, una longitud).

La ganancia se puede obtener analíticamente, de modo que este tipo de

manómetros conforma un estándar de medición de presión. Si el gas sobre

el líquido en ambos extremos del manómetro fuese de densidad

despreciable frente a la del líquido, si el diámetro del tubo es idéntico en

ambas ramas, si la presión en los extremos fuesen P1 y P2, si el líquido (a la

temperatura de operación) tuviese densidad , si la diferencia de altura

fuese h, entonces la diferencia de presiones estará dada por P2-P1= P=

gh. ¿Cuál será la ecuación si la densidad del fluido superior no fuese

despreciable?

No es difícil obtener expresiones para este tipo de manómetros en condiciones de operación en las

que sobre el líquido de alta densidad está otro líquido, de densidad no despreciable (ver, p.e. sección

5.3 de Perry, op.cit.).

El manómetro en forma de "U" conforma, según se especificó, un sistema de medición más bien

absoluto y no depende, por lo tanto, de calibración. Esta ventaja lo hace un artefacto muy común.


22


Su desventaja principal es la longitud de tubos necesarios para una medición de presiones altas y,

desde el punto de vista de la instrumentación de procesos, no es trivial transformarlo en un sistema

de transmisión remota de información sobre presión.

Manómetro de Bourdon

Para cualquier tipo de carga, la relación entre la carga y la

deformación es una constante del material, conocida como el

módulo de Young: E=Carga/ . Por ende, si la constante de

deformación es conocida, se puede obtener la carga según:

Carga = E*

De modo que frente a deformaciones pequeñas de materiales

elásticos, será posible obtener una cuantificación reproducible

de las cargas (fuerzas) solicitantes.

El manómetro de Bourdon depende, precisamente, de la

elasticidad de los materiales utilizados en su construcción. Este

manómetro, tal vez el más común en plantas de procesos que

requieran medición de presiones, consiste de un tubo metálico

achatado y curvado en forma de "C", abierto sólo en un extremo

(ver figura).

Al aplicar una presión al interior del tubo (se le infla, por ejemplo) la fuerza generada en la

superficie (área) exterior de la "C" es mayor que la fuerza generada en la superficie interior, de

modo que se genera una fuerza neta que deforma la "C" hacia una "C" más abierta. Esta

deformación es una medición de la presión aplicada y puede trasladarse a una aguja indicadora tanto

como a un sistema de variación de resistencia o campos eléctricos o magnéticos.


23


Galgas de extensión (strain gauges)

Según se observó, las

propiedades de elasticidad de

los materiales pueden dar

origen a sistemas de medición

de fuerzas (y, por ende,

también presión). El

manómetro de Bourdon utiliza,

precisamente, la propiedad de

elasticidad de los materiales

sólidos (en particular,

metálicos sólidos); pero, ese

manómetro no permite

producir una señal eléctrica

directamente, si bien se podría

adaptar algún sistema. El

método de construcción de

sensores de presión modernos

depende del principio de

elasticidad pero la deformación

es convertida en una señal

eléctrica mediante las galgas

de extensión, conocidas a

menudo como "celdas de

torsión" o, en ingles, como

strain gauges.

Una galga de extensión se

construye sobre un metal de

coeficiente de elasticidad dado,

adosándole un alambre, una

tira semiconductora o pistas

conductoras. Al deformarse el

soporte de la galga, se "estira"

o se "comprime" el sensor,

variando así su resistencia. El

cambio de resistencia será,

precisamente, el reflejo de la

deformación sufrida. En

términos de su caracterización,

dada la resistencia R sin

deformación, la aplicación de

una fuerza F deformante

producirá un cambio de

resistencia, R, cuya

medición permite calcular la

fuerza mediante:


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donde se ha definido una constante "G", conocido como la constante de la galga y que suele variar

entre 2 y 2,2 para galgas de soporte metálico.

Naturalmente, la posibilidad de medir fuerza permite construir, con estas galgas, balanzas

electrónicas tanto como sistemas de medición de presión.

Habitualmente se utilizan circuitos en puentes, diseñados para los valores típicos de estas galgas

(resistencias nominales de 120E , 350E , 600E y 1000E ) utilizando corrientes que no excedan los

10 mA.

Sensor de Presión Diferencial, análisis dinámico

Los sistemas discutidos antes, para medición de Presión (Bourdon, Tubos en "U" de líquidos de alta

densidad, Galgas de torsión [strain gauges], etc.) miden, en general, la presión relativa a la presión

atmosférica (si bien tanto P1 como P2 en el manómetro en "U" podrían ser parte de un proceso). A

menudo es necesario conocer la presión relativa entre dos puntos; tales sistemas se conocen como

sensores (o manómetros) de presión diferencial.

La figura describe un sensor de presión diferencial, basado en una galga de extensión.


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Las señales de presión, P1 y PR, se entregan a dos diafragmas aislantes, que impiden que el fluido

ingrese a la cámara sensible. La presión es transmitida a la sección sensible (la galga propiamente

tal) mediante capilares, que están llenos de un fluido adecuado (usualmente aceite de silicona).

Existen dos cámaras separadas por la galga en el centro, conocida como el diafragma sensor, cuyo

único requisito es que impida el paso del fluido interno de un lado hacia el otro.

Uno de los diafragmas de aislamiento puede ser sujeto a una presión constante de referencia, de

modo que la posición del diafragma de referencia será una función de la presión aplicada en un sólo

lado. Similarmente, se pueden aplicar dos presiones y la posición del diafragma sensor será una

función de la presión diferencial. Para introducir el análisis del comportamiento dinámico de este

sensor, se considerará que un lado está a presión constante, de referencia, denotado PR.

De acuerdo a la nomenclatura de la figura, un cambio en la presión P1 (en algún punto del proceso)

producirá un cambio en la presión P2, al final del tubo capilar (serán idénticos en estado

estacionario). El balance de fuerzas en el capilar resulta en:

es decir,

(A= área de corte del capilar de conexión, L= longitud del capilar de conexión, r = densidad del

líquido en el tubo capilar, x= desplazamiento del fluido o desplazamiento del diafragma de

aislación).

La fuerza sobre el diafragma de aislamiento, p2*A establece un segundo equilibrio de fuerzas:

es decir,:

donde K es la constante de Hooke de la galga y C el coeficiente de amortiguamiento del líquido

viscoso en frente del diafragma.

Por reemplazos y despejes:


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ecuación que, finalmente, indica que la respuesta del sensor (es decir, el desplazamiento, x, del

diafragma) sigue una dinámica de segundo orden, para cualquier cambio en la presión de proceso

P1. Si se define un tiempo de respuesta t =A*L*r /(K*gC), un grupo de amortiguación 2x t =C/K y

una ganancia KP=A/K, se puede obtener la función de transferencia en el campo complejo:

que da cuenta del comportamiento dinámico una vez conocida la excitación (P1) que impone el

proceso al sensor (por ejemplo, ¿cómo es la respuesta dinámica, en el tiempo, si la excitación fuese

un escalón?, y ¿si fuese un impulso?, y ¿si fuese una función sinusoidal?, etc.).


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INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN.

Para medir Velocidad.

El tacómetro es un dispositivo que mide las revoluciones (RPM) del rotor de un motor o una

turbina, velocidad de superficies y extensiones lineares. Son utilizados para llevar un registro de las

velocidades del elemento que tengamos en estudio, que nos permita saber si esta trabajando de

forma adecuada, con esto evitamos que se detenga la maquinaria, ya que le podríamos hacer un

mantenimiento en el momento adecuado. La última tecnología nos muestra dos tipos de tacómetros

muy utilizados: el tacómetro óptico y el tacómetro de contacto.

Para medir Tensión Mecánica.

Las tensiones mecánicas son causadas por excesos de peso sobre la estructura o el caso mas común

es que es causado por las Vibraciones Mecánicas, sus consecuencias suelen ser el aumento de los

esfuerzos y las tensiones, pérdidas de energía, desgaste de materiales, y las más temidas: daños por

fatiga de los materiales, además de ruidos molestos en el ambiente laboral, etc.

En tales condiciones es necesario conocer las características del material para diseñar el instrumento

donde va a usarse de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estar sometido no sean excesivos y

el material no se fracture. El comportamiento mecánico de un material es el reflejo de la relación

entre su respuesta o deformación ante una fuerza o carga aplicada.

Los equipos utilizados para medir tensiones mecánicas son los siguientes:


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Para medir dureza.

La dureza es una medida de la resistencia de un material a la deformación permanente (plástica) en su

superficie, o sea la resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado.

La dureza de una material se mide de varias formas dentro de las cuales se pueden destacar las durezas

“mecánicas” y la dureza de Mohs.

En las durezas mecánicas se utiliza un penetrador sobre la superficie del material. Sobre este penetrador se

ejerce una carga conocida presionando el penetrador a 90º de la superficie del material de ensayo. El

penetrador tiene diferentes formas y de acuerdo a esta es la huella que queda impresa en el material. De

acuerdo a la geometría de la huella y a la carga. Se utilizan diferentes fórmulas para determinar el valor de la

dureza. Actualmente hay aparatos que leen la dureza de una forma digital. Es así como puede establecerse la

dureza Brinell, Vickers, Knoop, y Rockwell.

Algunos de los aparatos usados actualmente para medir la dureza son:

Para medir ruidos en general.

Los ruidométros (Sound Level Meter) son utilizados para medir el nivel de los ruidos en un

determinado ambiente, de manera que se puedan mantener un nivel adecuado según los estándares

internacionales de niveles de ruido. Las consecuencias de los altos niveles de ruido en las personas

son: aumento de la presión sanguínea, produce problemas al corazón, ocasiona estrés, disminuye la

concentración, modifica el ritmo respiratorio, produce tensión muscular, riesgos coronarios,

alteraciones mentales, tendencias a actitudes agresivas.

Algunos de los últimos aparatos presentados en el mercado son estos:


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Instrumentos ópticos para evaluar la composición de los materiales metálicos.

Son instrumentos que miden el espectro de los componentes químicos de un material, claro deben

poseer un software que tenga todos los espectros de cada uno de los elementos químicos para poder

hacer las comparaciones.

Un ejemplo de los análisis de estos instrumentos es la

grafica que se muestra a continuación.

Las sustancias con anillos bencénicos muestran un espectro de absorción con picos agudos

alrededor de 250 nm. En esos casos, la diferencia en los resultados con 1 ó 2nm de resolución es

apreciable. El diagrama muestra los espectros de una solución de benceno en etanol obtenidos con

un espectrofotómetro con resolución 2 nm. (Gráfico obtenido usando el software UVProbe.)

http://www.shimadzu.com.br/analitica/esp/Productos/UV/UVProbe.htm


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Para medir Espesores.

Los medidores mecánicos convencionales

(Micrómetros) permiten medir espesores usualmente

en el rango entre 0 y 25 mm con una exactitud de

algunos micrómetros. Usando alternativamente el

principio de Interferencia óptica, la medición de

espesores se puede efectuar con una precisión de

algunas decenas de nanómetros.

En la figura se muestra esquemáticamente el Modulo

Interferométrico, adaptado para realizar mediciones de espesores según el método Fizeau. Un rayo

Láser es expandido y dirigido a una cuña de aire formada entre dos vidrios planos paralelos, entre

los cuales se encuentra el objeto a ser medido. Las líneas de interferencia producidas por la cuña

son observadas y contadas usando un microscopio.

El arreglo está dispuesto para medir espesores entre 0 y 1 mm con una precisión de 300 nm. Otros

aparatos de última tecnología para medir espesores son los siguientes:

Funciona por los principios de Inducción magnética y corrientes parásitas para medir espesores de

recubrimientos, ya sea en metales ferrosos como no-ferrosos, de manera rápida y precisa.


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Un medidor de fácil uso, económico para mediciones no destructivas del espesor de recubrimiento

en madera y concreto.

Capaz de medir fácilmente y con gran precisión el espesor de recubrimientos sobre concreto;

pintura y barniz sobre madera; pintura sobre plástico; pintura sobre vidrio; barniz sobre cerámica;

entre otros.

Para mediciones no destructivas de recubrimientos no magnéticos (tales como, pintura, esmalte,

plástico, galvanizado, metalizado y cromado) sobre

acero.

Mide recubrimientos no magnéticos sobre acero, tales como pintura, esmalte, niquelado y

galvanizado. Ideal para medir en superficies pequeñas, calientes o de difícil acceso.

Uno de los medidores más usados en la práctica es el Vernier, que nos permite medir espesores de

menos de 0,5 mm, está compuesto de regletas y escalas. Este es un instrumento muy apropiado para

medir longitudes, espesores, diámetros interiores, diámetros exteriores y profundidades.


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RESUMEN

Las señales que se obtienen de las máquinas industriales con una indicación directa del buen

estado de estas. Cuando se piensa en el monitoreo y el diagnostico de la maquinaria, deben tenerse

en cuenta los factores de seguridad, calidad, puntualidad y costo correspondientes a cada parte de la

maquinaria. De manera más especifica, los objetivos incluyen:

1. Aumento de la seguridad de la planta al minimizar las probabilidades de que se presenten

situaciones peligrosas o catastróficas.

2. Mejoramiento de la calidad del producto al minimizar variaciones de proceso que puedan

imputarse al mal funcionamiento de la maquinaria.

3. Maximizar la puntualidad o disponibilidad de la planta al dar servicio a las máquinas que lo

necesiten y realizar rondas de servicio más eficientes.

4. Reducción de costos de operación de la planta al minimizar los paros imprevistos y al dar

un uso más eficaz a los “recursos de mantenimiento”.


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TÉCNICAS DE CONTROL

INTRODUCCION

A medida que avanza la tecnología aplicada en la fabricación de los instrumentos industriales, los

usuarios tienen en sus manos cada día herramientas más poderosas para fabricar los productos con

mayor calidad a costos bajos y tiempos de entrega más cortos.

Implementar una técnica de control a un proceso dado, implica un conocimiento amplio sobre la

dinámica del proceso y de todas las variables que intervienen en el, además de tener presente los

algoritmos de control de cada lazo.

Independientemente del sistema de control que se aplique a un proceso dado, los algoritmos y las

estrategias son aplicables.

Estas estrategias, se aplican con el fin de lograr un control regulador óptimo sobre la variable o

variables de interés, las cuales toman estados inestables en la operación normal del proceso, como

resultado de las perturbaciones internas y externas al proceso.

En consecuencia, el funcionamiento correcto de un sistema de control esta determinado por la

naturaleza del proceso, de las características de los lazos de control y de los ruidos externos.


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PERTURBACIONES O RUIDOS EN EL PROCESO

En una planta industrial, por condiciones mismas de la carga existente para su operación, el ruido

esta implícito en ellas, por lo tanto hay que tomar en cuenta sus efectos en la regulación de alguna

variable.

Los ruidos son de distintos tipos, como son:

1. Ruidos eléctricos:

1.1. Variación de tensión

1.2. Variación de corriente

1.3. Armónicas en la señal eléctrica

1.4. Factor de potencia

1.5. Cortos circuitos

1.6. Inductivos

1.7. Por semiconductores

2. Ruidos térmicos:

2.1. Temperatura ambiente

2.2. Constante térmica de los materiales

2.3. Reacciones exotérmicas

3. Ruidos por tiempos muertos:

3.1. En motores

3.2. En tanques

3.3. En tuberías

3.4. En reacciones químicas

3.5. En transmisiones de señal electrónicas

3.6. En transmisiones de señales eléctricas

3.7. En transmisiones de señales mecánicas

4. Ruidos por transmisión de señales:

4.1. Vía inalámbrica

TÉCNICAS DE CONTROL

En la industria, la aplicación del control retroalimentado en un proceso para regular la magnitud de

una variable en un valor deseado, es común, que en algunos casos el error estático existente es

pequeño y es relativamente sencillo mejorar el control a través de correcciones simples, pero en

ocasiones no es posible, ya que, por condiciones del proceso se tiene un error estático considerable

y/o inestable.

Antes de aplicar una técnica de control diferente a la retroalimentada en un proceso, es importante

tomar en cuenta que un regulador instalado, al iniciar su operación, requiere de una sintonización en

línea sin importar la calidad de esta.


35


Si por algún motivo no es posible reducir el error estático a la inestabilidad del proceso, se debe

pensar entonces en la estrategia de control, para mejorar la respuesta de esa variable en función a la

calidad del producto.

TÉCNICAS O ESTRATEGIAS DE CONTROL

1. Control retroalimentado.

2. Control anticipativo.

3. Control en cascada.

4. Control de relación.

5. Control selectivo.

6. Control de set point programable.

7. Control de set point programable cíclico.

8. Control de rango dividido.

9. Control de ajuste de punto final.

CONTROL RETROALIMENTADO (FEED BACK)

Objetivo: Mantener constante una variable en un valor deseado o variable a través del tiempo.

El control retroalimentado, es la

forma más simple de aplicar un

control en lazo cerrado. El problema

en este tipo de control, es que la

corrección se hace después de que se

presentó el problema y una cantidad

del producto no lleva la calidad deseada, ya que la corrección llega un tiempo después.

CONTROL ANTICIPATIVO (FEED FORWARD)

Objetivo: Sensar la perturbación de una variable, antes de afectar al proceso y tomar la acción

correctiva para evitar un efecto dañino al producto.

En los procesos que tienen tiempos muertos muy grandes, se presentan desviaciones en magnitud y

frecuencia variables, la señal de error se detecta un tiempo después de que se produjo el cambio en

la carga y ha sido afectado el producto, y como consecuencia la corrección actúa cuando ya no es

necesario.

El problema anterior se resuelve aplicando al proceso esta técnica, que parte de la medición de una

o varias señales de entrada y actúan simultáneamente sobre la variable de entrada, produciendo la

salida deseada sobre el proceso.

Aplicar esta técnica de control implica un conocimiento amplio, exacto y completo de las

características estáticas y dinámicas del proceso. La relación entre la variable de salida y la variable


36


de entrada, constituye el modelo del proceso y es la función de transferencia del sistema de control

en adelanto.

El controlador es quien debe responder a los cambios de las perturbaciones, pero como es lógico, su

eficiencia depende de la exactitud del captor y elementos de interfase de una o más variables de

entrada y de la exactitud alcanzada en el modelo, calculada en el proceso.

Cabe señalar que es costoso y algunas veces imposible determinar y duplicar el modelo exacto del

proceso, por lo tanto, siendo realmente un control en lazo abierto, su aplicación dará lugar a un

offset significativo, es decir, se tendrá un error estático permanente y a veces creciente.

El control anticipativo es capaz de seguir rápidamente los cambios dinámicos (estado transitorio),

pero puede presentar un error estático considerable. Por tal motivo, regularmente se aplica

combinado con el control retroalimentado.

CONTROL EN CASCADA

Objetivo: Mejorar la estabilidad de una variable del proceso aun con una optima sintonización del

controlador en lazo retroalimentado.

La aplicación de esta técnica de control, es conveniente cuando la variable no puede mantenerse

dentro del valor de set point deseado, debido a las perturbaciones inherentes al proceso.

Para que un sistema de control en cascada esté bien aplicada es necesario que se tomen en cuenta

algunos aspectos importantes para su aplicación, estos son:

1. Localizar las variables más importantes del proceso.

2. Localizar la variable básica a controlar.

3. Localizar la variable que introduce la inestabilidad.

4. Determinar la velocidad de cambio de ambas señales.

5. Hacer un arreglo en cascada, de tal forma que el lazo mayor sea más lento y el controlador

también (control maestro).

6. El lazo menor deberá contener la variable más rápida y el controlador debe ser de respuesta con

retardos mínimos (control esclavo).

7. La relación de la constante de tiempo: TM/TE = 5 ó mayor.

8. El controlador del lazo menor deberá sintonizarse con la ganancia más alta posible.


37


9. El controlador esclavo se selecciona con set point remoto, mientras que el controlador maestro

es de tipo local.

Naturalmente que estas recomendaciones son, basándose en la experiencia que se tiene sobre la

dinámica del proceso, sobre el controlador y algo de sentido común.

CONTROL DE RELACION

Objetivo: Controlar el flujo o el volumen de una variable en función de otra.

Esta técnica de control, se aplica por lo general a dos cantidades de flujos, que deben mantener una

relación prefijada por el usuario.

Por lo general se tiene una línea de flujo de un fluido libre y sobre esta se mide la cantidad del

fluido existente en velocidad o volumen, este valor se envía a un controlador que contiene un factor

multiplicador o un divisor, cuya señal actúa sobre la válvula de control de otra línea con flujo

proporcional al valor censado (flujo controlado).

El flujo libre se llama variable independiente y el flujo controlado se llama flujo dependiente.

Para este tipo de estrategia de control, es muy importante tomar las siguientes consideraciones:

1. Ambas señales deben tener las mismas unidades.

2. Ambas señales deben estar linealizadas o en forma cuadrática.

3. El rango de los controladores deben ser compatibles con las señales recibidas de un 0% a un

100%.

4. Tomar en cuenta que en la medición de fluidos la linealidad se pierde en los extremos de la

medición.

5. Las características de los fluidos deben ser muy similares.


38


ACCION DE CONTROL DIRECTA E INVERSA

Directa: La acción directa se considera cuando a punto de ajuste constante, si la variable aumenta,

la salida aumenta.

Inversa: Se considera cuando a punto de ajuste constante si la variable aumenta la salida disminuye.

Alcance (SPAN): Diferencia algebraica entre los 2 valores alto y bajo de rango.

Autorregulación: Característica inherente del proceso la cual lleva a una condición de equilibrio sin

la intervención de un control automático.

Banda Proporcional: La gama de valores a través de los cuales la variable controlada debe cambiar

para causar que el elemento final de control se mueve de un extremo a otro.

Cavitación: Las cavidades de vapor no pueden existir con una presión aumentada y son forzadas a

un colapso o implosión que produce ruido, vibración, daño físico.

Circuito de Control: Es un sistema dentro del cual un cierto valor en magnitud debe ser mantenido

dentro de limites, preestablecidos. Un circuito de control automático (LOOP) puede ser manual o

automático.


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Arquitectura de los Sistemas de Control

Introducción Los Sistemas de Comunicación proporcionan el esqueleto sobre el que se articulan las estrategias de

automatización.

Los sistemas de comunicación industrial son mecanismos de intercambio de datos distribuidos en

una organización industrial.

Intercambio de datos on-line y, en los niveles inferiores de la pirámide (sensores,

actuadores, máquinas, células de fabricación, etc.), se exige el requisito de tiempo real.

Intercambio de datos eficiente y de bajo coste temporal y económico.

Los procesos de tiempo real requieren una acotación determinista máxima de sus tiempos de

ejecución.


40


Objetivos

El objetivo primario del sistema de comunicación es el de proporcionar el intercambio de

información (de control) entre dispositivos remotos.

Este intercambio de información puede realizarse en base a distintas tecnologías:

Comunicación punto a punto analógica

Comunicación punto a punto digital

Comunicación punto punto híbrida

Comunicación digital con bus de campo

Las tecnologías avanzadas admiten obtener prestaciones adicionales

Reducción de la programación

o Evitar el manejo de datos por el PLC en funciones de control

o Evitar la programación de nodos existentes al añadir nuevos nodos

Aumentar las prestaciones del sistema

o Determinismo

o Efectividad del ancho de banda

Reducción del cableado

o Control, programación y diagnosis sobre la misma red

Soluciones escalables

o Elección del controlador adecuado para el control, no para el manejo de datos

o Añadir o eliminar dispositivos sin influir en otros dispositivos del sistema

Reducción de los tiempos de paro

o Diagnóstico de los dispositivos

o Información predictiva


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Importancia de las Redes Industriales El control tiende a distribuirse.

Los sistemas productivos actuales necesitan un gran flujo de información.

Sistemas de información: bases de datos corporativa

Dispositivos gráficos: supervisión, paneles HMI,..

Diagnósticos avanzados

La red de comunicaciones se ha convertido en una parte indispensable en el diseño del sistema de

control, el modelo de red utilizado influye poderosamente en las prestaciones del sistema de control

utilizado.

Buses de Campo

Los buses de campo conectan sensores, actuadores, controladores y dispositivos similares en el

nivel inferior de la estructura jerárquica de la automatización industrial.

Una arquitectura de bus de campo es un sistema abierto de tiempo real. Pero no necesariamente ha

de conformarse con el modelo OSI de 7 capas, pues es más importante que la conexión sea de bajo

costo y alta fiabilidad frente a las posibilidades de interconexión a redes generales.

Características de un Bus de Campo (Instrumentos)

Diseñado para transmitir pequeñas cantidades de datos

Cubrir necesidades de tiempo real

Tener gran compatibilidad

electromagnética

Número reducido de estaciones

Fácil configuración

Protocolos simples y limitados

Bajos costes de conexión

Pseudoconsistente con el modelo OSI

de ISO

Ventajas que Aporta

Reducir coste de cableado de la instalación

Facilita la ampliación o reducción de elementos

Permite integrar los dispositivos menos inteligentes


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El siguiente diagrama muestra los tipos de buses de campo más comúnmente encontrados en los

sistemas de control.


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Las siguientes imágenes muestran configuraciones típicas:


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GENERALIDADES DE LOS PLCs

El término PLC de amplia difusión en el medio significa en inglés, Controlador Lógico

Programable. Originalmente se denominaban PCs (Programmable Controllers), pero, con la llegada

de las IBM PCs, para evitar confusión, se emplearon definitivamente las siglas PLC.

En Europa, el mismo concepto es llamado Autómata Programable. La definición más apropiada es:

Sistema Industrial de Control Automático que trabaja bajo una secuencia almacenada en memoria,

de instrucciones lógicas.

Es un sistema porque contiene todo lo necesario para operar, e industrial por tener todos los

registros necesarios para operar en los ambientes hostiles encontrados en la industria.

Esta familia de aparatos se distingue de otros controladores automáticos en que puede ser

programado para controlar cualquier tipo de máquina, a diferencia de otros muchos que, solamente

pueden controlar un tipo específico de aparato. Un programador o Control de Flama de una caldera,

es un ejemplo de estos últimos.

Además de poder ser programados, se insiste en el término "Control Automático", que corresponde

solamente a los aparatos que comparan ciertas señales provenientes de la máquina controlada de

acuerdo con algunas reglas programadas con anterioridad para emitir señales de control para

mantener la operación estable de dicha máquina.

Las instrucciones almacenadas en memoria permiten modificaciones así como su monitoreo

externo.


45


HISTORIA DE LOS PLCs

En 1969 la División Hydramatic de la General Motors instaló el primer PLC para reemplazar los

sistemas inflexibles alambrados usados entonces en sus líneas de producción.

Ya en 1971, los PLCs se extendían a otras industrias y, en los ochentas, ya los componentes

electrónicos permitieron un conjunto de operaciones en 16 bits,- comparados con los 4 de los 70s -,

en un pequeño volumen, lo que los popularizó en todo el mundo.

En los primeros años de los noventas, aparecieron los microprocesadores de 32 bits con posibilidad

de operaciones matemáticas complejas, y de comunicaciones entre PLCs de diferentes marcas y

PCs, los que abrieron la posibilidad de fábricas completamente automatizadas y con comunicación a

la Gerencia en "tiempo real".

COMPONENTES

Los pequeños PLCs son compactos y contienen en un solo cajón todos los componentes, reciben

por lo tanto el nombre de tipo "caja de zapatos". En cambio, los mayores, son del tipo modular y se

conectan las diferentes partes de una manera que pueden ser reemplazadas individualmente.

Un PLC consiste en las siguientes partes:

**CPU o Unidad de Proceso Lógico, que el en caso del PLC reside en un circuito integrado

denominado Microprocesador o Microcontrolador, es el director de las operaciones del

mismo. Por extensión, todo el "cerebro" del PLC se denomina CPU.

La CPU se especifica mediante el tiempo que requiere en procesar 1 K de instrucciones, y

por el número de operaciones diferentes que puede procesar. Normalmente el primer valor

va desde menos de un milisegundo a unas decenas de milisegundos, y el segundo de 40 a

más de 200 operaciones diferentes.

**MEMORIA. Es el lugar de residencia tanto del programa como de los datos que se van

obteniendo durante la ejecución del programa. Existe dos tipos de memoria según su

ubicación: la residente, que está junto o en el CPU y, la memoria exterior, que puede ser

retirada por el usuario para su modificación o copia. De este último tipo existen borrables

(RAM, EEPROM) y, no borrables (EPROM), según la aplicación. Las memorias empleadas

en los programas van de 1 K a unos 128 K.

**PROCESADOR DE COMUNICACIONES. Las comunicaciones del CPU son llevadas a

cabo por un circuito especializado con protocolos de los tipos RS-232C, TTY ó HPIB

(IEEE-485) según el fabricante y la sofisticación del PLC.

**ENTRADAS Y SALIDAS. Para llevar a cabo la comparación necesaria en un control

automático, es preciso que el PLC tenga comunicación al exterior. Esto se logra mediante

una interfase llamada de entradas y salidas, de acuerdo a la dirección de los datos vistos

desde el PLC. El número de entradas y salidas va desde 6 en los PLCs de "caja de zapatos"

tipo micro, a varios miles en PLCs modulares.


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El tipo preciso de entradas y salidas depende de la señal eléctrica a utilizar:

CORRIENTE ALTERNA 24, 48, 120, 220 V. Salidas: Triac, Relevador.

CORRIENTE DIRECTA (DIGITAL) 24, 120 V. Entradas: Sink, Source. Salidas:

Transistor PNP, Transistor NPN, Relevador.

CORRIENTE DIRECTA (ANALOGICA) 0 - 5, 0 - 10 V, 0 - 20, 4 - 20 mA.

Entradas y Salidas Analógicas.

**TARJETAS MODULARES INTELIGENTES. Existen para los PLCs modulares, tarjetas

con funciones específicas que relevan al microprocesador de las tareas que requieren de

gran velocidad o de gran exactitud. Estas tarjetas se denominan inteligentes por contener un

microprocesador dentro de ellas para su funcionamiento propio. El enlace al PLC se efectúa

mediante el cable (bus) o tarjeta de respaldo y a la velocidad del CPU principal.

Las funciones que se encuentran en este tipo de tarjetas son de:

Posicionamiento de Servomecanismos

Contadores de Alta Velocidad.

Transmisores de Temperatura.

Puerto de Comunicación BASIC.

**BUS. Los sistemas modulares requieren una conexión entre los distintos elementos del

sistema y, esto se logra mediante un bastidor que a la vez es soporte mecánico de los

mismos. Este bastidor contiene la conexión a la fuente de voltaje, así como el "bus" de

direcciones y de datos con el que se comunican las tarjetas y el CPU.

En el caso de tener muchas tarjetas de entradas/salidas, o de requerirse éstas en otra parte de

la máquina, a cierta distancia de la CPU, es necesario adaptar un bastidor adicional que sea

continuación del original, con una conexión entre bastidores para la comunicación. Esta

conexión si es cercana puede lograrse con un simple cable paralelo y, en otros casos, se

requiere de un procesador de comunicaciones para emplear fibra óptica o, una red con

protocolo establecida.

**FUENTE DE PODER. Por último, se requiere una fuente de voltaje para la operación de

todos los componentes mencionados anteriormente. Y ésta, puede ser externa en los

sistemas de PLC modulares o, interna en los PLC compactos. Además, en el caso de una

interrupción del suministro eléctrico, para mantener la información en la memoria borrable

de tipo RAM, como es la hora y fecha, y los registros de contadores, etc. se requiere de una

fuente auxiliar. En los PLCs compactos un "supercapacitor" ya integrado en el sistema es

suficiente, pero en los modulares, es preciso adicionar una batería externa.

**PROGRAMADOR. Aunque de uso eventual en un sistema, desde un teclado con una

pantalla de una línea de caracteres hasta una computadora personal pueden emplearse para

programar un PLC, siempre y cuando sean compatibles los sistemas y los programas

empleados.


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Con base en lo anterior, podemos clasificar a los PLC por tamaño. Esto es, por el número de

entradas/salidas que se pueden tener o conectar. Ej. Un PLC con 216 entradas/salidas permite la

conexión de una combinación de entradas y salidas cuya suma no pase de 216.

Además del tamaño físico, es importante la velocidad de proceso del CPU y la memoria total que

puede ser empleada para programas por el usuario. Ej. Un PLC con una velocidad de proceso de

1000 instrucciones en 0.8 ms promedio y memoria de 8KBytes (1 Byte = 8 bits)

Es necesario hacer notar que después de procesar las instrucciones, el PLC se comunica

externamente, realiza funciones de mantenimiento como verificar integridad de memoria, voltaje de

batería, etc. En seguida actualiza las salidas y acto seguido lee las entradas. Con lo que el tiempo de

proceso total, puede llegar a ser el doble del de ejecución del programa.

PROGRAMACION Y LENGUAJES

Un PLC debe ser capaz de arrancar su programa siempre que exista una falla de energía, por lo que

todas las eventualidades deben ser programadas en él.

En el programa se designan mediante direcciones los registros, los contadores, los temporizadores y

las entradas y salidas. En los PLC pequeños estas direcciones están asignadas por el fabricante, pero

en los mayores, pueden ser definidas por el usuario, con mayor aprovechamiento de la memoria.

Los PLC trabajan como todos los circuitos electrónicos únicamente con dos estados lógicos, ALTO

y BAJO, ON y OFF, 1 y 0, etc., lo cual no es práctico desde el punto de vista de enlace hombre-

máquina, por lo que se requiere de lenguajes de programación que traduzcan las ideas humanas a

estados lógicos.

Los lenguajes de programación en sí, aunque normalizados en su parte básica, son tan variados

como fabricantes de PLC hay, así como también la manera de accesar a dichos controladores.

Pero, en general podemos hablar de cuatro grandes grupos de lenguajes de programación:

INSTRUCCIONES, DE ESCALERA, POR FUNCIONES y POR PASOS.

LENGUAJES DE ESCALERA (TIPO NEMA). Es el más conocido en el área de influencia

norteamericana, ya que invariablemente todos los PLC de fabricación americana o japonesa

permiten su programación en este lenguaje; ya sea para emplear los mismos diagramas de control

alambrado existentes en las máquinas que se reconvierten o, ya sea para capacitar fácilmente al

personal de mantenimiento en el manejo y arreglo de estos aparatos.

INSTRUCCIONES O BOOLEANO. Es el tipo más poderoso de los lenguajes de programación

en cualquier marca de aparato, ya que es lo más cercano al lenguaje máquina y, puede hacer uso de

particularidades de los mismos microprocesadores, y con ello hacer más rápido un programa o, más

compacto.


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PROGRAMACION POR FUNCIONES. Es el preferido por los Ingenieros europeos. Son los más

matemáticos de los lenguajes, al requerirse manejo de tablas de verdad y simplificación de

funciones lógicas booleanas para su empleo.

PROGRAMACION POR PASOS (GRAPHSTEP, GRAPH5). Este lenguaje fue inventado por

ingenieros de la marca francesa Telemecanique, y posteriormente se hizo lenguaje estándar IEC, y

son ahora muchos los fabricantes que tienen su propia versión.

Es en práctica un lenguaje más elevado que los anteriores al permitir con una simple instrucción

hacer lo que en otros requería varias y complejas instrucciones, siempre y cuando se pueda

programar la operación de la máquina de manera secuencial.

Este lenguaje es muy apropiado para el manejo de posicionadores, alimentadores, y todo aparato

cuyos movimientos mecánicos sean repetitivos.


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Interpretación de los Diagramas y Lazos de Control

INTRODUCCIÓN

En instrumentación y control, se emplea un sistema especial de símbolos con el objeto de transmitir

de una forma más fácil y específica la información. Esto es indispensable en el diseño, selección,

operación y mantenimiento de los sistemas de control.

Un sistema de símbolos ha sido estandarizado por la ISA (Sociedad de Instrumentistas de América).

La siguiente información es de la norma: ANSI/ISA-S5.1-1984(R 1992).

Las necesidades de varios usuarios para sus procesos son diferentes. La norma reconoce estas

necesidades, proporcionando métodos de simbolismo alternativos. Se mantienen varios ejemplos

agregando la información o simplificando el simbolismo, según se desee.

Los símbolos de equipo en el proceso no son parte de esta norma, pero se incluyen para ilustrar

aplicaciones de símbolos de la instrumentación.

APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA. La norma es conveniente para el uso en la química, petróleo, generación de poder, aire

acondicionado, refinando metales, y otros numerosos procesos industriales.

Ciertos campos, como la astronomía, navegación, y medicina, usan instrumentos muy

especializados, diferentes a los instrumentos de procesos industriales convencionales. Se espera

que la norma sea flexible, lo bastante para encontrarse muchas de las necesidades de campos

especiales.

APLICACIÓN EN ACTIVIDADES DE TRABAJO.

La norma es conveniente para usar siempre cualquier referencia de un instrumento o de una función

de sistema de control se requiere para los propósitos de simbolización e identificación. Pueden

requerirse tales referencias para los usos siguientes, así como otros:

Bocetos del plan

Ejemplos instrucción

Papeles técnicos, literatura y discusiones

Diagramas de sistemas de instrumentación, diagramas de vuelta, diagramas lógicos

Descripciones funcionales

Diagramas de flujo: Procesos, Mecánicos, Ingeniería, Sistemas, que Conduce por tuberías

(el Proceso) e instrumentación

Dibujos de construcción

Especificaciones, órdenes de compra, manifiestos, y otras listas

Identificación (etiquetando) de instrumentos y funciones de control

Instalación, operación e instrucciones de mantenimiento, dibujos, y archivos


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Se piensa que la norma proporciona la información suficiente para habilitar a cualquiera de los

documentos del proceso de medida y control (quién tiene una cantidad razonable de conocimiento

del proceso) para entender los medios de medida y mando del proceso. El conocimiento detallado

de un especialista en la instrumentación no es un requisito previo a esta comprensión.

APLICACIÓN A CLASES DE INTRUMENTACIÓN Y

FUNCIÓNES DE INTRUMENTOS. El simbolismo y métodos de identificación proporcionados en esta norma son aplicables a todas las

clases de medida del proceso e instrumentación de control. Ellos no sólo son aplicables a la

descripción discreta de instrumentos y sus funciones, pero también para describir las funciones

análogas de sistemas que son "despliegue compartido," "control compartido", "control distribuido"

y "control por computadora".

DEFINICIONES Para un mejor entendimiento de la norma, se tienen las siguientes definiciones:

Accesible Este término se aplica a un dispositivo o función que puede ser usado

o visto por un operador con el propósito de controlar el desempeño

de las acciones de control; como ejemplo: cambios en el set-point,

transferencia auto-manual o acciones de encendido y apagado.

Alarma Es un dispositivo o función que detecta la presencia de una condición

anormal por medio de una señal audible o un cambio visible discreto,

o puede tratarse de ambas señales al mismo tiempo, las cuales tienen

el fin de atraer la atención.

Asignable Este término se aplica a una característica que permite el cambio (o

dirección) de una señal de un dispositivo a otro sin la necesidad de la

activación de un switch o algún otro elemento.

Detrás del panel Este término se refiere a la posición de un instrumento, el cual ha

sido montado en un panel de control, pero no es normalmente

accesible al operador.

Binario Término aplicado a una señal o dispositivo que tiene solo dos

posiciones o estados discretos. Cuando es usado en su forma más

simple, como en “señal binaria” (lo que es opuesto a señal

analógica), el término denota un estado de “encendido-apagado” o de

“alto-bajo”.

Board Término en inglés el cual se interpreta como sinónimo de panel.

Burbuja Símbolo circular usado para denotar e identificar el propósito de un

instrumento o función. Puede contener una etiqueta con un número.


51


Es también un sinónimo de balón.

Dispositivo computable o de cómputo

Dispositivo o función que emplea uno o más cálculos u operaciones

lógicas, o ambas, y transmite uno o más resultados a las señales de

salida.

Configurable

Término aplicado a un dispositivo o sistema cuyas características

funcionales pueden ser seleccionadas a través de un programa o de

otros métodos.

Controlador Dispositivo con una salida que varía para regular una variable de

control de una manera específica. Un controlador manual varía su

salida automáticamente en respuesta a una entrada directa o indirecta

de un proceso variable. Un controlador manual es una estación

manual de carga y su salida no depende de una medida de un proceso

variable pero puede variarse solamente por medio de un

procedimiento manual.

Estación de control Una estación de carga manual que también proporciona un control en

el cambio de manual a automático de los modos de control dentro de

lazo de control, a ésta también se le conoce como estación auto-

manual.

Válvula de control Es un dispositivo, el más comúnmente usado, que actúa

manualmente o por sí mismo, que directamente manipula el flujo de

uno o más procesos.

Digital Término aplicado a una señal o dispositivo que usa dígitos binarios

para representar valores continuos o estados discretos.

Elemento final de control

Dispositivo que controla directamente los valores de la variable

manipulada en un lazo de control. Generalmente el elemento final de

control es una válvula de control.

Función Propósito que debe cumplir un dispositivo de control.

Identificación Secuencia de letras o dígitos, o ambos, usados para señalar un

instrumento en particular o un lazo.

Instrumentación Colección de instrumentos o sus aplicaciones con el fin de observar

mediciones, control, o cualquier combinación de estos.

Local Es la localización de un instrumento que no está ni dentro ni sobre un

panel o consola, ni está montado en un cuarto de control. Los

instrumentos locales están comúnmente en el ámbito de un elemento


52


primario o un elemento de control, la palabra campo es un sinónimo

muy usado con local.

Panel local Que no está en un panel central, los paneles locales están

comúnmente en el ámbito de subsistemas de plantas o subáreas. El

término instrumento local de panel no puede ser confundido con

instrumento local.

Lazo Combinación de uno o más instrumentos o funciones de control que

señalan el paso de uno a otro con el propósito de medir y/o controlar

las variables de un proceso.

Estación manual de carga

Dispositivo o función que tiene un ajuste de salida manual que es

usado con un actuador o como más dispositivos. La estación no

proporciona un cambio entre un modo de control automático o

manual de un lazo de control. La estación puede tener indicadores

integrados, luces u otras características. Esto es normalmente

conocido como estación manual o cargador manual.

Monitor Término general para un instrumento o sistema de instrumentos

usados para la medición o conocer la magnitud de una o más

variables con el propósito de emplear la información en determinado

momento. El término monitor no es muy específico, algunas veces

significa analizador, indicador, o alarma.

Luz del monitor Sinónimo de luz piloto.

Panel Estructura que tiene un grupo de instrumentos montados sobre ella.

El panel puede consistir de una o varias secciones, cubículos,

consolas o escritorios.

Montado en panel Término aplicado a un instrumento que está montado sobre un panel

o consola y es accesible para un operador en uso normal.

Luz piloto Es una luz que indica cual número o condiciones normales de un

sistema o dispositivo existe. Una luz piloto es también conocida

como una luz monitor o de monitor.

Punto de prueba Proceso de una conexión el cual no está permanentemente conectado,

su conexión es solamente temporal o intermitente a un instrumento.


53


Símbolos y Números de Instrumentación La indicación de los símbolos de varios instrumentos o funciones han sido aplicados en las típicas

formas. El uso no implica que la designación o aplicaciones de los instrumentos o funciones estén

restringidas en ninguna manera. Donde los símbolos alternativos son mostrados sin una

preferencia, la secuencia relativa de los números no implica una preferencia.

La burbuja puede ser usada para etiquetar símbolos distintivos, tal como aquellos para válvulas de

control. En estos casos la línea que esta conectando a la burbuja con el símbolo del instrumento

esta dibujado muy cerca de él, pero no llega a tocarlo. En otras situaciones la burbuja sirve para

representar las propiedades del instrumento.

Un símbolo distintivo cuya relación con el lazo es simplemente aparentar que un diagrama no

necesita ser etiquetado individualmente. Por ejemplo una placa con orificio o una válvula de

control que es parte de un sistema más largo no necesita ser mostrado con un número de etiqueta en

un diagrama. También, donde hay un elemento primario conectado a otro instrumento en un

diagrama, hace uso de un símbolo para representar que el elemento primario en un diagrama puede

ser opcional.

Los tamaños de las etiquetas de las burbujas y de los símbolos de los misceláneos son los tamaños

generalmente recomendados. Los tamaños óptimos pueden variar dependiendo en donde o no es

reducido el diagrama y dependiendo el número de caracteres seleccionados apropiadamente

acompañados de otros símbolos de otros equipos en un diagrama.

Las líneas de señales pueden ser dibujadas en un diagrama enteramente o dejando la parte apropiada

de un símbolo en cualquier ángulo. La función de los designadores de bloque y los números de las

etiquetas podrían ser siempre mostrados con una orientación horizontal. Flechas direccionales

podrían ser agregadas a las líneas de las señales cuando se necesite aclarar la dirección del flujo

para información. La aplicación de flechas direccionales facilita el entendimiento de un sistema

dado.

Eléctrico, neumático o cualquier otro suministro de energía para un instrumento no se espera que

sea mostrado, pero es esencial para el entendimiento de las operaciones de los instrumentos en un

lazo de control.

En general, una línea de una señal representara la interconexión entre dos instrumentos en un

diagrama de flujo siempre a través de ellos. Pueden ser conectados físicamente por más de una

línea.

La secuencia en cada uno de los instrumentos o funciones de un lazo están conectados en un

diagrama y pueden reflejar el funcionamiento lógico o información acerca del flujo, algunos de

estos arreglos no necesariamente corresponderán a la secuencia de la señal de conexión. Un lazo

electrónico usando una señal analógica de voltaje requiere de un cableado paralelo, mientras un lazo

que usa señales de corriente analógica requiere de series de interconexión. El diagrama en ambos

casos podría ser dibujado a través de todo el cableado, para mostrar la interrelación funcional

claramente mientras se mantiene la presentación independiente del tipo de instrumentación

finalmente instalado.


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El grado de los detalles para ser aplicado a cada documento o sección del mismo está enteramente

en la discreción del usuario de la conexión. Los símbolos y designaciones en esta conexión pueden

diseñarse para la aplicación en un hardware o en una función en específico. Los sketches y

documentos técnicos usualmente contienen simbolismo simplificado e identificación. Los

diagramas de flujo de un proceso usualmente son menos detallados que un diagrama de flujo de

ingeniería. Los diagramas de ingeniería pueden mostrar todos los componentes en línea, pero

pueden diferir de usuario a usuario en relación a los detalles mostrados. En ningún caso, la

consistencia puede ser establecida para una aplicación. Los términos simplificado, conceptual, y

detallado aplicado a los diagramas donde se escoge la representación a través de la sección de un

uso típico. Cada usuario debe establecer el grado de detalle de los propósitos del documento

específico o del documento generado.

Es común en la práctica para los diagramas de flujo de ingeniería omitir los símbolos de

interconexión y los componentes de hardware que son realmente necesarios para un sistema de

trabajo, particularmente cuando la simbolización eléctrica interconecta sistemas.

Un globo o círculo simboliza a un instrumento aislado o instrumento discreto, pare el caso donde el

círculo esta dentro de un cuadrado, simboliza un instrumento que comparte un display o un control.

Los hexágonos se usan para designar funciones de computadora. Para terminar los controladores

lógicos programables PLC's se simbolizan con un rombo dentro de un cuadrado.

Instrumento

Discreto

Display Compartido,

Control Compartido

Función de

computadora

Control Lógico

Programable


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Descripción de cómo los círculos indican la posición de los

Instrumentos. Los símbolos también indican la posición en que están montados los instrumentos. Los símbolos

con o sin líneas nos indican esta información. Las líneas son variadas como son: una sola línea,

doble línea o líneas punteadas.

Montado en Tablero

Normalmente

accesible al operador

Montado en Campo

Ubicación Auxiliar.

Normalmente

accesible al operador.

Instrumento Discreto

o Aislado

Display compartido,

Control compartido.

Función de

Computadora

Control Lógico

Programable

Las líneas punteadas indican que el instrumento esta mondado en la parte posterior del panel el cual

no es accesible al operador.

Instrumento Discreto

Función de

Computadora

Control Lógico

Programable

Número de identificación de los instrumentos o números TAG Cada instrumento o función para ser designada está diseñada por un código alfanumérico o

etiquetas con números. La parte de identificación del lazo del número de etiqueta generalmente es

común a todos los instrumentos o funciones del lazo. Un sufijo o prefijo puede ser agregado para

completar la identificación.


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NUMERO DE IDENTIFICACION TIPICO ( NUMERO TAG)

TIC103

T 103

103

TIC

T

IC

Ø Identificación del instrumento o número de etiqueta

Ø Identificación de lazo

Ø Número de lazo

Ø Identificación de funciones

Ø Primera letra

Ø Letras Sucesivas

NUMERO DE IDENTIFICACION EXPANDIDO

10-PAH-5A

10

A

Ø Número de etiqueta

Ø Prefijo opcional

Ø Sufijo opcional

Nota: Los guiones son optativos como separadores.

El número de lazo del instrumento puede incluir información codificada, tal como la designación

del área de la planta que lo designe. Esto también es posible para series específicas de números para

designar funciones especiales.

Cada instrumento puede ser representado en diagramas por un símbolo. El símbolo puede ser

acompañado por un número de etiqueta.

IDENTIFICACIÓN FUNCIONAL. La identificación funcional de un instrumento o su equivalente funcional consiste de letras, las

cuales se muestran en la tabla 1 e incluyen una primera letra (designación de la medida o variable

inicial) y una o más letras sucesivas (identificación de funciones).

La identificación funcional de un instrumento está hecha de acuerdo a su función y no a su

construcción. Un registrador de diferencia de presión usado para medir flujo se identifica como FR;

un indicador de presión y un switch actuado a presión conectado a la salida de un transmisor de

nivel neumático están identificados por LI y LS, respectivamente.

En un lazo de instrumentos, la primera letra de una identificación funcional es seleccionada de

acuerdo a la medida y a la variable inicial y no de acuerdo a la variable manipulada. Una válvula de

control varía el flujo de acuerdo a lo dictaminado por un controlador de nivel, esto es una LV.

La sucesión de letras en la identificación funcional designa una o más funciones pasivas y/o salidas

de función. Una modificación de las letras puede ser usada, si se requiere, en adición a una o más

letras sucesivas. Por ejemplo, TDAL contiene dos modificadores. La variable medida D cambia a

una nueva variable T, como diferencia de temperatura. La letra L restringe la lectura de la función

A, alarma, para representar solamente una alarma baja.

La secuencia de identificación de las letras llega a ser con una primera letra seleccionada de acuerdo

a la tabla 1. Las letras de funciones pasivas o activas siguen cualquier orden, y las letras de la salida

funcional siguen a ésta en cualquier frecuencia, excepto que la salida de la letra C (control) precede

la salida de la letra V (valve), por ejemplo: PCV (válvula controladora de presión).

Un dispositivo de función múltiple puede ser simbolizado en un diagrama por muchas burbujas


57


como haya variables medidas, salidas y/o funciones. Un controlador de temperatura con un switch

puede ser identificado por dos burbujas una con la inscripción TIC-3 y una con la inscripción

TSH-3. El instrumento podría estar designado como TIC-3/TSH-3 para todos los usos y sus

referencias.

El número para las letras funcionales agrupadas en un instrumento pueden mantenerse con un

mínimo de acuerdo al ajuste del usuario. El número total de letras contenidas en un grupo no

pueden exceder de cuatro.

IDENTIFICACIÓN DEL LAZO. La identificación del lazo consiste en la primera letra y un número. Cada instrumento en un lazo

tiene asignado a él el mismo número de lazo y, en caso de una numeración paralela, la misma

primera letra. Cada lazo de instrumentos tiene un único número de identificación de lazo. Un

instrumento común a dos o más lazos podría cargar la identificación del lazo al cual se le considere

predominante.

La numeración de los lazos puede ser paralela o serial. La numeración paralela involucra el inicio

de una secuencia numérica para cada primera letra nueva, por ejemplo: TIC-100, FRC-100, LIC-

100, AL-100, etc. La numeración serial involucra el uso de secuencias simples de números para

proyectar amplias secciones. Una secuencia de numeración de un lazo puede realizarse con uno o

cualquier otro número conveniente, tal como 001, 301 o 1201. El número puede incorporarse al

código de operación; de cualquier manera su uso es recomendado.

Si un lazo dado tiene más de un instrumento con el mismo identificador funcional, un sufijo puede

ser añadido al número del lazo, por ejemplo: FV-2A, FV-2B, FV-2C, etc., o TE-25-1, TE-25-2, etc.

Esto puede ser más conveniente o lógico en un instante dado para designar un par de transmisores

de flujo, por ejemplo, como FT-2 y FT-3 en vez de FT-2A y FT-2B. Los sufijos pueden ser

asignados de acuerdo a los siguientes puntos:

1. Se pueden usar sufijos tales como A, B, C, etc.

2. Para un instrumento tal como un multipunto que registra los números por puntos de

identificación, el elemento primario puede ser numerado TE-25-1, TE-25-2, TE-25-3, etc.,

correspondiendo al punto de identificación del número.

3. Las subdivisiones de un lazo pueden ser designadas serialmente alternadas con letras como

sufijos y números.

Un instrumento que desempeña dos o más funciones puede ser designado por todas sus funciones,

por ejemplo un registrador de flujo FR-2 con una presión PR-4 puede ser designada FR-2/PR-4. Y

dos registradores de presión pueden ser PR-7/8, y una ventana como anunciador común para

alarmas de altas y bajas temperaturas puede ser TAHL-21.

Los accesorios de instrumentación tales como medidores de presión, equipo de aire, etc., que no

están explícitamente mostrados en un diagrama, pero que necesitan una designación para otros

propósitos pueden ser etiquetados individualmente de acuerdo a sus funciones y podría usarse la

misma identificación del lazo como estos sirven directamente al lazo. La aplicación de una

designación no implica que el accesorio deba ser mostrado en el diagrama. Alternativamente los

instrumentos pueden ser usados con el mismo número de etiqueta con el cual ha sido asociado el


58


instrumento, pero aclarando las palabras agregadas.

Las reglas para la identificación del lazo no necesitan ser aplicados a los instrumentos y accesorios.

Un usuario u operador puede identificar a estos por otros medios.

Nomenclatura de Instrumentos

La siguiente tabla muestra las diferentes letras que se utilizan para clasificar los diferentes tipos de

instrumentos.

1° Letra 2° Letra Variable medida(3)

Letra de Modificación

Función de lectura pasiva

Función de Salida Letra de Modificación

A. Análisis (4) Alarma B. Llama (quemador) Libre (1) Libre (1) Libre (1)

C. Conductividad Control D. Densidad o Peso especifico

Diferencial (3)

E. Tensión (FEM.) Elemento Primario F. Caudal Relación (3) G. Calibre Vidrio (8) H. Manual Alto (6)(13)(14)

I. Corriente Eléctrica Indicación o indicador (9)

J. Potencia Exploración (6) K. Tiempo Estación de Control L. Nivel Luz Piloto (10) Bajo (6)(13)(14)

M. Humedad Medio o intermedio (6)(13)

N. Libre(1) Libre Libre Libre

O. Libre(1) Orificio P. Presión o vacío Punto de prueba Q. Cantidad Integración (3) R. Radiactividad Registro S. Velocidad o frecuencia

Seguridad (7) Interruptor

T. Temperatura Transmisión o transmisor

U. Multivariable (5) Multifunción (11) Multifunción (11) Multifunción (11)

V. Viscosidad Válvula W. Peso o Fuerza Vaina X. Sin clasificar (2) Sin clasificar Sin clasificar Sin clasificar

Y. Libre(1) Relé o compensador (12)

Sin clasificar

Z. Posición Elemento final de control sin clasificar


59


1. Para cubrir las designaciones no normalizadas que pueden emplearse repetidamente en

un proyecto se han previsto letras libres. Estas letras pueden tener un significado como

primera letra y otro como letra sucesiva. Por ejemplo, la letra N puede representar como

primera letra el modelo de elasticidad y como sucesiva un osciloscopio.

2. La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas que se

utilizan solo una vez o un número limitado de veces. Se recomienda que su significado

figura en el exterior del círculo de identificación del instrumento. Ejemplo XR-3

Registrador de Vibración.

3. Cualquier letra primera se utiliza con las letras de modificación D (diferencial), F

(relación) o Q (interpretación) o cualquier combinación de las mismas cambia su

significado para representar una nueva variable medida. Por ejemplo, los instrumentos

TDI y TI miden dos variables distintas, la temperatura diferencial y la temperatura,

respectivamente.

4. La letra A para análisis, abarca todos los análisis no indicados en la tabla anterior que

no están cubiertos por una letra libre. Es conveniente definir el tipo de análisis al lado

del símbolo en el diagrama de proceso.

5. El empleo de la letra U como multivariable en lugar de una combinación de primera

letra, es opcional.

6. El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o intermedio y

exploración, es preferible pero opcional.

7. El termino seguridad, debe aplicarse solo a elementos primarios y a elementos finales

de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para el equipo o

el personal). Por este motivo, una válvula autorreguladora de presión que regula la

presión de salida de un sistema mediante el alivio o escape de fluido al exterior, debe

ser PCV, pero si esta misma válvula se emplea contra condiciones de emergencia, se

designa PSV. La designación PSV se aplica a todas las válvulas proyectadas para

proteger contra condiciones de emergencia de presión sin tener en cuenta las

características de la válvula y la forma de trabajo la colocan en la categoría de válvula

de seguridad, válvula de alivio o válvula de seguridad de alivio.

8. La letra de función pasiva vidrio, se aplica a los instrumentos que proporciona una

visión directa no calibrada del proceso.

9. La letra indicación se refiere a la lectura de una medida real de proceso, No se aplica a

la escala de ajuste manual de la variable si no hay indicación de ésta.

10. Una luz piloto que es parte de un bucle de control debe designarse por una primera letra

seguida de la letra sucesiva I. Por ejemplo, una luz piloto que indica un periodo de

tiempo terminado se designara KI. Sin embargo, si se desea identificar una luz piloto

fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse en la misma forma o bien

alternativamente por una letra única I. Por ejemplo, una luz piloto de marcha de un

motor eléctrico puede identificarse. EL, suponiendo que la variable medida adecuada es

la tensión, o bien XL. Suponiendo que la luz es excitada por los contactos eléctricos

auxiliares del arrancador del motor, o bien simplemente L.

11. El empleo de la letra U como multifunción en lugar de una combinación de otras letras

es opcional.

12. Se supone que las funciones asociadas con el uso de la letra sucesiva Y se definirán en

el exterior del símbolo del instrumento cuando sea conveniente hacerlo así.

13. Los términos alto, bajo y medio o intermedio deben corresponder a valores de la

variable medida, no a los de la señal a menos que se indique de otro modo. Por ejemplo,

una alarma de nivel alto derivada de una señal de un transmisor de nivel de acción


60


inversa debe designarse LAH incluso aunque la alarma sea actuada cuando la señal cae

a un valor bajo.

14. Los términos alto y bajo, cuando se aplican a válvulas, o a otros dispositivos de cierre

apertura, se definen como sigue:

Alto: indica que la válvula esta, o se aproxima a la posición de apertura completa.

Bajo: Denota que se acerca o está en la posición completamente cerrada.

Símbolos de Líneas La sismología de líneas representa la información única y critica de los diagramas de

instrumentación y tuberías. Las líneas indican la forma en que se interconectan los diferentes

instrumentos así como las tuberías dentro de un lazo de control.

Las líneas pueden indicar diferentes tipos de señales como son neumáticas, eléctricas, ópticas,

señales digitales, ondas de radio etc.

Conexión a proceso, enlace mecánico, o

alimentación de instrumentos.

Señal indefinida

ó

E.U. Internacional

Señal Eléctrica

Señal Hidráulica

Señal Neumática

Señal electromagnética o sónica (guiada)

Señal electromagnética o sónica (no guiada)

Señal neumática binaria

ó

Señal eléctrica binaria

Tubo capilar

Enlace de sistema interno (software o enlace de

información)

Enlace mecánico


61


Se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación (o bien de purga

de fluidos):

AS Alimentación de aire.

ES Alimentación eléctrica.

GS Alimentación de gas.

HS Alimentación hidráulica.

NS Alimentación de nitrógeno.

SS Alimentación de vapor.

WS Alimentación de agua.

Símbolos de Válvulas y Actuadores

VÁLVULAS Símbolos para válvulas de control

Globo, compuerasdata

u otra

Ángulo

Mariposa

Obturador rotativo o

válvula de bola

Tres vías

Cuatro vías

Globo

Diafragma


62


ACTUADORES Símbolos para actuadores.

Diafragma con muelle

Diafragma con muelle, posicionador y válvula

piloto y válvula que presuriza el diafragma al

Actuar.

Preferido Opcional

MOTOR ROTATIVO

Cilindro sin posicionador u otro piloto

Simple acción Doble acción

Preferido para cualquier

cilindro

Actuador manual

Electrohidráulico

Solenoide

Para Válvula de alivio

o de seguridad


63


Acción del actuador en caso de fallo de aire (o de potencia)

Abre en fallo

Cierra en fallo

Abre en fallo a vía A-C

Abre en fallo a vías A-C y D-B

Se bloquea en fallo

Posición indeterminada en fallo

Lectura de un Lazo Simple

Es posible obtener gran información con solo observar el Diagrama de instrumentación y tuberías

(P&ID's). Para este ejemplo tenemos por ejemplo, para el lazo que se presenta tenemos un número

de identificación (TAG) 301. Con este número y la primera letra identificadora T para temperatura

puede determinarse que el propósito primario para este lazo es la medición y control de temperatura

de un intercambiador de calor. Los instrumentos en el lazo incluyen un transmisor de temperatura,

un controlador y una válvula. Cada una de estas funciones son designadas por la segunda o tercer

letra en la identificación.

Al observar el símbolo del transmisor nos revela que esta mondado en campo, esto se asume debido

a que no tiene una línea dentro del círculo. La línea que contiene las X's nos indica que el

transmisor está conectado al proceso por medio de un tubo capilar. La línea punteada indica que la

señal del transmisor hacia el controlador es de tipo eléctrica. La línea dentro del círculo del

controlador indica que este instrumento está situado en un tablero.


64


La señal eléctrica desde el controlador es recibida por un transductor que convierte la señal. Este a

su vez manda una señal al elemento final que es una válvula, que al observar la posición de la flecha

nos indica que si la válvula pierde la señal automáticamente se cerrara la válvula.

Diagramas de lazos de instrumentación Los diagramas de instrumentación del proceso o diagramas de instrumentación y tuberías (P&ID's)

son una buena fuente de información incluyendo todas las variables del proceso en el sistema

como también la información de cada uno de los instrumentos en los lazos.

Cuando se necesita una más información específica y detallada es necesario utilizar otros tipos de

diagramas como es un diagrama de lazo de instrumentación. El diagrama de lazo nos permite una

mejor comprensión de cómo opera el lazo.

Esta información nos permite identificar las conexiones entre los dispositivos, la acción de los

componentes y las rutas de comunicación.

El contenido del diagrama de lazo está compuesto por la representación de la información del lazo

de instrumentación. Este contiene toda la información de las conexiones eléctricas y de tuberías

asociadas. Todas las interconexiones de punto a punto están identificados por medio de números o

códigos de colores para identificar los conductores, multitubos neumáticos, y los tubos neumáticos

e hidráulicos. Sumado a esto el diagrama nos puede indicar información de gran ayuda para

identificar información especial como características especiales, funciones de apagado de seguridad

y circuitos de seguridad. Suministros de energía, fuentes de energía, suministro de aire, suministro

de fluido hidráulico, tensión, presión o cualquier parámetro aplicable.

Secciones

Área de proceso de campo

(Field Process Area) La sección de arrea de proceso de campo, muestra los

instrumentos montados en campo. Si se compara el

Diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID´s) de un

sistema con el diagrama de lazo de instrumentación, se

podrá interpretar el lugar en que están ubicados los

instrumentos ya que aparecen los mismos símbolos.


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Empalmes o Conexiones de campo

(Field Junction) La sección de empalme de campo nos muestra las cajas de empalme o

conexión para el lazo. Las cajas de conexión son los puntos intermedios

de conexión entre las líneas de señal. Por lo regular estos no son

mostrados en los P&ID's

Panel trasero (Rear Panel) La sección del panel trasero nos muestra lo ubicación de los

instrumentos o conexiones que están localizados en la parte trasera

del panel.

Panel Frontal (Panel Front) La sección del panel frontal muestra la

ubicación de los instrumentos montados en

el tablero.


66


Identificación de los símbolos para la conexión y puerto de un

instrumento.

A B

En esta sección de diagrama de lazo se representan las conexiones o puertos del instrumento. El tipo

de señal de línea nos indica que es un lazo neumático. En este tipo de lazos el símbolo para la

conexión del instrumento es un grupo de cuadrados unidos verticalmente pegados a un circulo de

instrumentación. En el ejemplo A se representa un transmisor de flujo (FT-301) y en el B se

representa un controlador indicador de flujo (FIC-301).

El símbolo del puerto del instrumento indica como está conectado el dispositivo hacia la línea de

señal o la fuente de suministro. Es esencial el poder localizar este tipo de conexiones para poder

rastrear posibles problemas en el lazo. Las letras en los cuadrados indican el tipo de conexiones.

Para este caso el transmisor de flujo tiene dos conexiones. La letra S indica que el puerto es un

puerto de suministro (supply port). La letra O nos señala que es un puerto de salida (outlet port).

Usualmente el suministro para los instrumentos neumáticos es de 20 psi.

El controlador de flujo tiene tres puertos de conexión. Etiquetados como I, O y S. La I y la O

corresponden a entrada y salida respectivamente (in and out), mientras la S significa suministro de

aire.

Los controladores electrónicos contienen una conexión positiva

y negativa y la polaridad debe tomarse en cuenta al conectarlos.

Las letras de identificación sin definidas por el fabricante o por

la facilidad.


67


Descripción de las cajas de conexión y su identificación

Las cajas de conexión de campo son los puntos auxiliares de conexión para las líneas de señal. En

un diagrama de lazo estas se encuentra usualmente en la sección de la caja de conexión de campo y

en la sección del panel trasero.

El símbolo para la caja de conexión de campo se compone por un grupo de cuadrados conectados

verticalmente que indican los puntos de conexión. En el cuadro superior contiene las letras JB

(junction box) y un numero de identificación. Para los ejemplos las cajas de conexión están

etiquetadas como JB 100 y JB 200. Cada cuadro adicional en una caja de conexión deberá contener

un número. Los números son designados por la facilidad de interpretación y son puntos específicos

de conexión en los instrumentos. Los números que aparecen en las cajas son idénticos a los

números de los instrumentos. El numero de cuadros nos indica las conexiones disponibles en la

caja, si algún cuadro no tuviera numero esto indicaría que esta sin usar ese punto de conexión.

Identificación del símbolo para el suministro de energía del lazo.

Los diagramas de lazo también nos proveen la información acerca del suministro de energía del

lazo. En un lazo neumático, el suministro de energía está representado por las letras AS (Air

Supply) seguido por la cantidad de presión requerida para la operación del instrumento. Esta


68


información está conectada por una línea sólida hacia el instrumento. En las figuras se muestra un

suministro de energía de 20 psig.

Identificación del punto de ajuste (set-point) y del rango de

operación del instrumento.

Por medio del diagrama de lazo de instrumentación se puede identificar el punto de ajuste y rango

de operación de los instrumentos.

Para la información acerca del rango de operación del instrumento se localiza dentro de un

rectángulo horizontal cerca del instrumento, al que se está haciendo referencia, mientras que la

información acerca del punto de ajuste o set point se muestra en un rombo ubicado cerca del

controlador.

Identificación e Interpretación del símbolo de acción de control.

Otra importante información en el saber cómo responden los instrumentos. La acción de control es

mostrada por medio de una flecha apuntando hacia a arriba o hacia abajo. La flecha está localizada

cerca del símbolo del instrumento o abajo del rectángulo que contiene la información sobre el rango

de operación del instrumento.

La flecha indicando hacia arriba indica que el al incrementarse el valor de la señal de entrada

aumenta el valor de la salida también aumenta. Cuando la flecha apunta hacia abajo funciona de

forma contraria, el valor de la salida disminuye mientras el valor de entrada aumenta.


69


Lazos Electrónicos

Interpretación de los lazos electrónicos por medio de los símbolos de

instrumentación

Una de las ventajas de los diagramas de lazo es el poder hacer un seguimiento lógico a través del

lazo. Por lo regular el punto de inicio para leer un diagrama es por el lado izquierdo, el propósito es

poder encontrar el elemento primario. Por ejemplo el siguiente ejemplo se refiere a un lazo diseñado

para la medición del flujo por medio de una placa de orificio.

El transmisor etiquetado como FT-101 sensa y mide la diferencia de presión causada por la

restricción de la placa de orificio. El transmisor también produce una señal que representa esta

caída, la cual es proporcional al flujo promedio.

Los puntos de conexión del

transmisor son terminales

eléctricas. Los signos positivo y

negativo indican la polaridad de

las terminales. Este transmisor

transmite una señal de 4 a 20 mA.

La flecha apuntando hacia arriba

nos indica que es un instrumento

que actúa directamente. El ovalo

alrededor de las líneas de señal

indica que esta blindada la señal

para evitar interferencia eléctrica

que pueda ocasionar una lectura

errónea en los indicadores.

La señal del transmisor pasa a trabes de 3 cajas de conexión. Estas están ubicadas en el área del

campo de proceso, en el área de campo de conexión y en la sección del panel trasero.


70


Las cajas de conexión están mostradas en grupos de cuadros conectados verticalmente, etiquetadas

con JB y con un número de identificación en la parte superior. EN este lazo las etiquetas de las cajas

son JB300, JB400 y JB500. Los números dentro de los cuadros corresponden a los puntos de

conexión. Las notas en el diagrama indican información específica el numero de cable. Por ejemplo

el cable 10 entra en JB400 y el cable 30 sale desde JB400.

Utilizando la siguiente figura podemos observar que en el punto 22, el cable no. 1 va desde ese

punto hasta el punto de conexión 8 el cual es mostrado en la sección frontal del panel.

En el punto 1 y 2 se puede observar que existe un suministro de energía eléctrica ES (electrical

supply) y a su vez se indica la tensión y frecuencia del suministro. Por último observando el

rectángulo podemos decir que el controlador indicador de flujo FIC-101 convierte la señal eléctrica

recibida a galones por minuto.


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Lazos Neumáticos

Los diagramas de lazo están organizados de tal forma que puedan ser leídos indiferentemente de la

fuente de suministro. Los diagramas lazos neumáticos sin similares a los lazos electrónicos. La

mayoría si no es que todos utilizan el mismo tipo de simbología. A continuación se muestra un

ejemplo.

Interpretación de los lazos neumáticos por medio de los símbolos de

instrumentación

La información general se presenta en el titulo del dibujo mientras que las notas están en la parte

inferior. Como en los lazos electrónicos, la información se lee generalmente de izquierda a derecha.

En este caso el elemento primario del lazo

es un orificio, este está instalado en una

tubería de 1 1/2 de pulgada. La

identificación así como el radio están

indicados en el dibujo. El material del

proceso es agua. El transmisor, etiquetado

como FT-301 tiene dos terminales de

conexión, etiquetadas como S para

suministro y O para el puerto de salida. El

rango de operación del instrumento es de 0

a 100" H2O, lo cual está indicado en el

rectángulo horizontal cercano al

instrumento. El suministro de aire es de 20

psig. La flecha apuntando hacia arriba nos

indica que es un transmisor que actúa

directamente, esto es, si aumenta la señal de

salida, la señal de entrada también aumenta.

La señal neumática del transmisor pasa a

través de una caja de empalme que está

montada en campo (JB 100), del punto 1

continua a la caja JB-200 que está situada

en la parte posterior del panel. Cabe señalar

que las cajas de empalme o conexión para los lazos neumáticos son cuadrados unidos verticalmente

tales como los usados en los lazos electrónicos.

La notación de la línea de identificación adyacente al JB100, indica que la línea es un tubo del

no.28. Esta línea en particular es designada como 28-1, que quiere decir que es el primer tubo de la

línea 28. De JB200 va conectada a la parte posterior del panel, los tubos están conectados a los

cuadros correspondientes al extractor etiquetado como FY-301. Este último tiene un suministro de

aire.


72


De él extractor FY-301 la señal tiene dos ramificaciones, Es necesario seguir estas dos hasta llegar a

la señal de línea principal. La primer ramificación se conecta a la entrada de un registrados

etiquetado como FR-301. La segunda se controla a la entrada de un controlador designado como

FIC-301. Este tiene un punto de ajuste de 80 gpm que es visto en el rombo cerca del controlador

mientras que la flecha apuntando hacia abajo indica que actúa inversamente. En el rectángulo

horizontal se muestra el rango de operación que es de 0 a 100 gpm. La salida del controlador es

representada como 28-2. Los dos instrumentos tanto el registrador como el controlador tienen un

suministro de aire de 20 psig.

Utilizando como referencia la figura inicial de los lazos neumáticos, se puede observar que la salida

del controlador va conectada al elemento final el cual es una válvula actuador con diafragma.

Cuando el elemento final recibe una señal del controlador, la válvula ajusta el flujo para mantener el

valor del punto de ajuste.

Instrumentacion Industrial Instrumentos y Control Diagramas de Proceso V3_09

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