INSTRUMENTACION_INDUSTRIAL

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INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
César Álvarez
INTRODUCCIÓN
Los procesos industriales se presentan en gran variedad, abarcan muchos tipos de
productos y exigen el control de la fabricación de los mismos. Para tal objetivo se utilizan
instrumentos de medición y control que permiten el mantenimiento y regulación de las
magnitudes propias del proceso en cuestión.
El enfoque del presente trabajo esta dado sobre los sistemas electrónicos y las señales
eléctricas empleadas para la transmisión de las variables de interés así como las
dificultades que se presentan para su correcta interpretación.
DEFINICIONES EN CONTROL
La terminología empleada en instrumentación industrial [1] se encuentra unificada con el
fin de que los fabricantes, usuarios y organismos empleen el mismo lenguaje [2].
Los términos utilizados se encuentran representados en la siguiente figura.
Figura 1: Definiciones de los instrumentos
En ella pueden identificarse: el intervalo de medida (range), alcance (span), error,
incertidumbre (uncertainty), exactitud (accuracy), precisión, zona muerta (dead band),
sensibilidad (sensitivity), repetibilidad (repeatibility), histéresis (hysteresis).
CLASES DE INSTRUMENTOS
Según la función del instrumento, estos pueden clasificarse de la siguiente manera:
Ciegos: sin indicación visible (alarmas);
Indicadores: poseen un índice y una escala graduada;
Registradores: capaces de graficar la evolución de la variable controlada;
Sensores: captan el valor de la variable y envía una señal predeterminada;
Transmisores: reciben la señal del sensor y la envían a distancia;
Transductores: reciben una señal de entrada física y la convierten en una de salida
(relé, convertidor PP/I o PP/P);
Convertidores: reciben una señal de entrada procedente de un instrumento y la
envían en forma de señal de salida estándar;
Receptores: registran la señal procedente de los transmisores;
Controladores: Comparan la variable controlada con un valor deseado y ejercen
una adecuada acción correctiva.
También pueden clasificarse en función de la variable de proceso. Estos pueden ser:
instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad, humedad, viscosidad,
posición, velocidad, conductividad, frecuencia, etc.
TRANSDUCTOR
Los transductores captan la variable de proceso a través del elemento primario (sensor) y
la transmiten a distancia en forma de señal neumática, electrónica ó digital.
La evolución de las señales hacia la digital se corresponde con la necesidad de aumentar
la productividad, aumentar la calidad del proceso, repetibilidad de características de los
productos obtenidos, reducción de costes, seguridad y normalización de los instrumentos
(Normas ISO 9000 [4]),
Transmisores neumáticos: se basan en el sistema tobera obturador que mediante
bloques amplificadores con retroalimentación por equilibrio de fuerzas, convierte el
movimiento del elemento primario de medición a una señal neumática de 3 a 15 psi
ó 0.2 a 1 bar, siendo su exactitud del orden del +/- 0.5%.
Transmisores electrónicos: se basan en detectores de inductancia, utilización de
transformadores diferenciales, circuitos de puente de Wheatstone ó empleando una
barra de equilibrio de fuerzas, convirtiendo la señal de la variable a una señal
electrónica de 4 a 20 mA c.c. con una exactitud del orden del +/- 0.5%.
Transmisores digitales: consiste en una serie de impulsos en forma de bits (código
binario) que representa el paso (1) o no (0) de una señal a través de un conductor.
Su exactitud depende de la cantidad de bits que maneja el microprocesador del
transmisor.
ACONDICIONADOR DE SEÑAL
El elemento acondicionador toma la señal proveniente del transductor y la convierte en
una señal para la visualización de la magnitud o un controlador de un sistema de control.
La señal más frecuentemente utilizada es la eléctrica con la finalidad de ser usada en
dispositivos electrónicos.
Las señales eléctricas normalizadas de uso común son según norma ISO 7816:
Señales de tensión: 0-5, 0-10 Vcc,+/-10 Vcc, 0-24 Vcc ó 0-32 Vcc;
Señales de corriente: 0-50 mAcc, 0-20 mAcc ó 4-20 mAcc;
Pulsos (On-Off): 0- 5 Vcc, 0-10 Vcc ó 0-24 Vcc.
La disparidad de señales analógicas normalizadas se puede deber a los siguientes
factores:
Acuerdo entre los 80 países que conforman el ISO;
Amplificación de las señales de los sensores para separar el ruido sobre las líneas
eléctricas industriales;
Criterio de diseño para la reducción de la fuente de error según la circuitería
adoptada;
PROBLEMAS DE MEDICIÓN: EL RUIDO ELÉCTRICO
Entendemos por ruido eléctrico a toda fluctuación aleatoria o indeseada de una magnitud
eléctrica que tienda a enmascarar la señal de interés. Se caracterizan por ser de
naturaleza no determinista e inevitables es sistemas electrónicos, los cuales deben
garantizar valores elevados de la relación señal/ruido.
Los tipos de ruido pueden deberse a efectos de la temperatura, campos eléctricos
intensos (avalancha), comportamiento del semiconductor, desfase entre tensión- corriente
entre otros.
FUENTES DE RUIDO
Líneas eléctricas, motores, transformadores, generadores, soldadura por arco, lámparas
fluorescentes entre otros. Pueden catalogarse en ruido debido a interferencia
electromagnético (EMI), de radiofrecuencias (RFI), electrostáticas (ESI), por descargas
atmosféricas, transitorios o sobretensiones en líneas 220 o 380 Vca entre otros.
PROTECCIONES Y AISLACIONES
De acuerdo a las fuentes de ruido presentadas anteriormente se pueden establecer las
siguientes protecciones:
Interferencias electromagnéticas: se trata que ambas entradas al amplificador
lleven el mismo nivel de ruido.
Interferencias de radiofrecuencias: se protege el circuito con una fina lámina de
aleación de material ferromagnético (_r>>1);
Interferencias electrostáticas: mediante red conductora o blindaje que rodea a los
cables de la señal de interés, la cual debe conectarse a tierra.
Interferencias por descargas atmosféricas y sobretensiones: mediante el uso de
semiconductores (tecnología Transorb ó Mosorb) ó pequeños tubos de gas (argón,
neón, mercurio o hidrógeno) se enclava la tensión a un valor determinado
drenando los sobrepicos a masa;
Amplificador diferencial para EMI
Blindaje para ESI
SISTEMAS DE SEÑALES ANALÓGICOS Y DIGITALES
La diferencia radica en que en los circuitos analógicos las señales eléctricas pueden
tomas infinitos valores dentro de un rango determinado, mientras que en los circuitos
digitales pueden tomar solo dos niveles (alto o bajo)
CONVERTIDOR ANALÓGICO-DIGITAL
La conversión de señal analógico-digital se utiliza para el procesamiento de datos en
ordenadores. En la mayoría de los casos se procede a la posterior conversión digitalanalógico
para su interpretación por los sentidos del hombre.
Consiste básicamente en realizar, en forma periódica, medidas de la amplitud de la señal
y presentarlas en formato binario.
VENTAJAS DEL PROCESADO DIGITAL DE SEÑALES
Las ventajas de la utilización de técnicas digitales en procesos de señales pueden
estructurarse en diversas categorías muy amplias como son la repetibilidad, elevada
estabilidad térmica, reprogramabilidad, adaptación, transmisión de datos,
almacenamiento, mejor relación señal/ruido, protección contra errores, detección y
recuperación de datos.
Además pueden agregarse las continuas mejoras en los procesos de fabricación,
reducción de la geometría y costo de los sistemas electrónicos digitales.
PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS
El modo de protección depende de la conexión al circuito a proteger. Unidades de
protección de "modo diferencial" se conectan entre líneas y, los de "modo común", entre
los hilos de señal y tierra.
Como los transitorios también son una forma de ruido, también se inducen en los
conductores. Cables multiconductores acoplan la energía del transitorio a todos los pares
de conductores del cable. Y como la energía inducida es la misma, siendo un par o
muchos, se disipa más energía en un arreglo multiconductor.
Todos los pares que no se usen de un cable multiconductor debenser conectados a tierra
y así, la energía inducida en ellos, pasará directamente a tierra.
Existen cuatro esquemas de aterrizado de equipos electrónicos, los cuales son:
Esquema convencional: utiliza únicamente las recomendaciones de puesta a tierra
de la NOM-SEDE-001-2005 pero no incluye el uso de los contactos de tierra
aislada de la sección {250-74 Excepción 4}.
Esquema de tierra aislada: es el más socorrido en la industria y proveedores de
equipos electrónicos porque reduce el ruido de modo común y esta descrito en la
NOM. La puesta a tierra del equipo es separada de la puesta a tierra de las
canalizaciones evitando efectos de corriente espúrea. En esta configuración se
tiene una conexión a tierra relativamente libre se ruido e interferencias para la
referencia lógica de los aparatos y es complementada con la tierra de seguridad
convencional del sistema de tierras de potencia.
Esquema de tierra aislada total: consiste en conectar todos los equipos a tierra
usando una configuración de estrella a partir de un solo punto físico, el cual está
conectada mediante un conductor apropiado a la red general de tierras de acuerdo
con NOM-001-SEDE-2005.
Esquema de malla de referencia: se utiliza un piso falso de tipo celular que al
ofrecer un plano de referencia de tierra baja la impedancia a tierra en todas las
frecuencias
COMUNICACIONES
Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan
en señales analógicas neumáticas, electrónicas y digitales, siendo estas últimas capaces
de manejar grandes volúmenes de datos y guardarlos en unidades históricas.
Las señales digitales poseen mayor exactitud y se transmiten secuencialmente a través
de un cable de comunicaciones llamado bus. Algunos de ellos son: Piconet, Profibus-DP,
CANopen, Sensoplex, ASi, DeviceNet, Ethernet, Foundation Fieldbus, Lightbus, Seriplex,
Interbus-S, AIM, Bulk Cable 9 [5].
A continuación se presenta una tabla comparativa de transmisores.
Tabla 1: Características de Transmisores
VARIABLES DE MEDICIÓN
Medición de presión: en la siguiente figura se representan los instrumentos de
presión y su campo de aplicación [6].
Figura 2: Instrumentos de presión y campo de aplicación
Medición de caudal: en la siguiente figura se representan los instrumentos y
principios de medición de caudal [7].
Medición de nivel: en la siguiente figura se representan los instrumentos y
principios de medición de nivel, con la diferenciación entre líquidos y sólidos [8].
Tabla 2: Medidores de nivel de líquidos
Tabla 3: Medidores de nivel de sólidos
Medición de temperatura: en la siguiente figura se representan los instrumentos de
presión y su campo de aplicación [9].
Figura 3: Campo de medida de instrumentos de temperatura
Existen otras variables de interés para la medición las cuales podemos clasificar de la
siguiente manera:
Variables físicas: peso, velocidad, densidad, peso específico, humedad, punto de
rocío, viscosidad, consistencia, llama, oxígeno disuelto, turbidez, intensidad de
radiación solar.
Variables químicas: conductividad, pH, Redox (potencial de oxidación),
concentración de gases.
MANTENIMIENTO DE INSTRUMENTOS
Los instrumentos requieren un mantenimiento para su funcionamiento que puede ser:
Correctivo: reparación del instrumento por alto coste de servicio;
Preventivo: revisión planificada a intervalos regulares;
Predictivo: revisión por aviso de fallo del instrumento.
APLICACIONES EN LA INDUSTRIA
Existen varias aplicaciones típicas de instrumentos en los procesos industriales [12].
Algunas de las operaciones de proceso que se utilizan con mayor frecuencia son:
Caldera de vapor: se caracteriza por una capacidad nominal de producción de
vapor en toneladas/hora a una presión especificada y con una capacidad adicional
de caudal en puntas de consumo de la fábrica.
Secadores y evaporadores: tienen por objeto obtener el producto sólido con poca
humedad y concentrar el producto en forma líquida al evaporar el agua
respectivamente.
Horno túnel: se realizan procesos de cocción basado en el mantenimiento de una
curva de cocción que establece un programa preciso de temperatura distribuida de
acuerdo con las tres zonas típicas del horno (precalentamiento, cocción y
enfriamiento) y el transporte de la carga a una velocidad determinada.
Columnas de destilación: consiste en separar en forma continua una mezcla por
diferencia de composición entre un líquido y su vapor.
Intercambiadores de calor: utilizado en la gran mayoría de los procesos industriales
tales como precalentamiento, pasteurización, esterilización y refrigeración entre
otras.
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