Conceptos básicos de instrumentación y control

Definiciones para el análisis de instrumentos y sistemas de medición y control

Antes que todo para introducirnos al mundo de la medición e instrumentación haremos una semi introducción al control ya que por lo general el objetivo de toda buena medición es realizado con el fin de 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 sistema del proceso, es decir, es la que dentro del bucle de control es captada por el transmisor para originar una señal de retroalimentación.

3) Variable manipulada: 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) Procesos: Es un desarrollo que es realizado por un conjunto de elementos cada uno con ciertas funciones que gradual y progresivamente producen un resultado final.

5) Sistema: Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un objetivo.

Sistema en donde las válvulas son utilizadas para manipular el caudal con el fin de controlar el nivel en los tanques.

6) Perturbaciones: Señal que afecta la respuesta real del sistema produciendo un error en la medida, ejemplo los campos magnéticos, la inductancia etc. según la sensibilidad individual.

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. los servosistemas 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) Sistemas de control de procesos: Es un sistema de regulación automática que determina la respuesta de la variable en función de virtudes programadas para el sistema.

Sistemas 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.

9) 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 ala 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.

10) Sistemas de control adaptables: Es la capacidad intuitiva de un sistema para decidir parámetros de auto-ajuste debido a los posibles errores aleatorios y sistemáticos que se presenten.

11) Sistemas de control con aprendizaje: son sistemas donde el operario hace las veces de controlador y donde día a día se gana experiencia en el manejo de los parámetros modificables del sistema.

12) Instrumento: Es un dispositivo que se encarga de interpretar señales proporcionales a la magnitud de la variable.

13) 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

14) Instrumentos indicadores: Poseen una escala para expresar la equivalencia de los datos al operario, pueden ser manómetros, tensiómetros, entre otros. Pueden ser concéntricos, excéntricos y digitales.

15) Instrumentos registradores: Expresan la señal con trazos continuos a puntos.

16) Elementos finales de control: Es el instrumento que recibe las señales del sistema tomadas por el controlador y las ejecuta directamente sobre la variable controlada.

17) Elemento primario de medida: Es el que esta en contacto directo con la variable y dispuesto a transmitir cualquier transformación de energía en el medio medido.

Instrumentos ciegos, medidor de flujo: Es un elemento censor primario.

Sensores ópticos, instrumentos indicadores registradores: Permiten la monitorización.

Transmisores: Se encuentran de los dos tipos ciegos e Indicadores.

Panel de monitorización y control: Instrumentación virtual, donde los Instrumentos son simulados en el PC. Panel donde se encuentran instrumentos indicadores virtuales y controladores.

18) Rango: Es el campo de medida para cualquier número de valores que siempre deben estar entre un limite superior e inferior según las especificaciones del instrumento.

19) Alcance: Es la diferencia entre los limites superior e inferior del rango, es lo equivalente al área de operación.

20) Elevación de cero: Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera al valor inferior del campo de medida.

21) Supresión de cero: Es la cantidad de desfase que hay por debajo del valor inferior del rango.

22) Sensibilidad: Es el mínimo cambio al que el instrumento censa y puede expresar.

23) Zona muerta: Son aquellas donde la sensibilidad del instrumento es nula lo que hace que no cambie su indicación y señal de salida.

24) Error: Es la diferencia entre el valor leído del instrumento y el valor real de la variable.

25) Precisión: Grado de reproductibilidad de las mediciones.

26) Exactitud: Cuando la lectura se acerca al valor real de la variable.

En el valor cero de la variable marca 3 psi, y en el valor al 100 % de la variable marca 15 psi. Luego la supresión de cero esta entre 0 y 3 psi y la elevación de cero esta entre 3 y 4 psi. La zona muerta es equivalente 7 psi ±1 %.

27) Histéresis: 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 %

28) Fiabilidad: Es la probabilidad de que el instrumento permanezca en ciertos limites de error.

29) 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.

30) Ruido: señales impuras que afectan a las diferentes señales del sistema de medición.

31) Resolución: Es la de visualización a escala del instrumento.

32) Lineabilidad: Es la proporcionalidad directa y libre de errores con equivalencias de alta calibración.

33) Estabilidad: son los instrumentos de altas calidad, que tienen una probabilidad de tener una larga vida útil.

34) Temperatura de servicio: Son las temperaturas de trabajo del instrumento.

35) Reproductibilidad: Reproducción de una medida cuando la variable se encuentra en un parámetro constante.

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

37) Transmisor: Capta la señal del elemento primario de medida y la transmite a distancia en forma eléctrica, neumática, hidráulica, mecánica y ultrasónica.

38) Transductor: Dispositivo que recibe una o varias señales provenientes de la variable medida y pueden modificarla o no en otra señal.

39) Convertidor: Es el que se encarga de modificar la señal de entrada y la entrega en una señal de salida estándar.

40) Señal: Salida que emana del instrumento. Información representativa de un valor cuantificado.

41) Señal análoga: Es una función contínua de la variable medida.

42) Señal digital: Representa la magnitud de las variables medidas en forma de una serie de cantidades discretas codificadas en un sistema de notación.

43) 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.

• Nota: Todas las señales manejan ciertos estándares para los valores máximos y mínimos:

Esquemas y simbología básica de los diagramas de instrumentación:

Un esquema en bloques:

Todo sistema de instrumentación posee el siguiente esquema lógico:

EFC: Elemento final de control.

EPM: Elemento primario de medida.

Todo sistema de control posee una instrumentación adecuada que actúa sobre el proceso siguiendo el esquema visto. Para cierto proceso se necesita tener una variable ya sea presión, nivel, caudal con cierto rango de medida, luego el proceso es analizado por un sistema que en principio es el elemento primario de medida que puede ser un transductor o convertidor p/i que convierte una señal de presión en corriente la cual es enviada a un transmisor para llevarla al indicador (en este caso multímetro) y al controlador donde se comparara con el set point que se desea de la variable, es decir que la parte del comparador hace parte del controlador, pero en realidad asumimos que el comparador puede ser un algoritmo o esquema de instrucciones de control que tiene la misión de encontrar el error en la variable para que así el controlador se encargue de enviar la señal al elemento final de control que lo podemos llamar válvula o cualquier elemento actuador.

Algo de simbología:

Señales y convertidores

Los transmisores y controladores son de la misma manera que los convertidores, solo varían en la nomenclatura teniendo en cuenta que:

P: presión.

T: temperatura o transmisor.

L: nivel (level).

F: flujo.

I: indicador o corriente.

C: controlador.

R: registrador.

Con todo esto ya podemos construir un sistema gráfico con su instrumentación:

1) Válvula de paso

2) Indicador de nivel de cristal

3) Tanque

4) Motobomba

5) Válvula controlada

El proceso consiste en controlar el flujo, es decir, esta será la variable controlada; es un sistema en lazo cerrado por que el controlador esta recibiendo señales de entrada para determinar la salida, estas señales son enviadas por una celda de presión diferencial la cual se encarga de medir la entrada de agua que es la variable manipuleada, este instrumento es precisamente un transmisor de flujo que le entrega la señal a unos convertidores que disponen la señal para que el controlador la asimile y deduzca una acción donde el elemento final de control que es la válvula controlada.

Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).