instrumentacion - Servidor de Apoyo al Sistema Escolarizado

1.1 Introducción a la instrumentación
EVOLUCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN
Hace mucho los operadores tenían la función de realizar manualmente el control
de las variables, utilizando instrumentos rústicos de medida que indicaban las
condiciones del medio. Este tipo de control en su tiempo podemos decir que fue
relativamente eficaz puesto que los procesos eran bastante simples, teniendo los
productos margenes muy amplios de tolerancias. Pero a medida que fueron
apareciendo nuevas técnicas de obtención de productos mas complejos, este tipo
de control fue insuficiente e incapaz de cumplir con las exigencias requeridas. Este
desarrollo en los procesos propició la generación de instrumentos que no tan solo
mejoran las funciones de monitoreo de información sino también que dichos
instrumentos tuvieran la capacidad de procesar información y que realizaran
acciones correctivas tendientes a la estabilización de las variables para mantener
de esta manera controlado en forma continua el proceso.
La evolución acelerada en la gran mayoria de las ramas de la ingeniería
especialmente de la química, macánica y de la electrónica hicieron posible que en
muy poco tiempo la instrumentación de los procesos fuese mas fiable en toda la
extención de la palabra, a tal grado que en la actualidad cualquier proceso que
este sea, puede ser controlado por muy pocas personas desde un cuarto de
control en donde los instrumentos de control que pudiera tener este proceso en
fraccionesde segundos decidieran la mejor acción según las condiciones que se
presentaran en el proceso.
Podemos decir que nuestra civilización industrial dificilmente podria subsistir sin
los auxilios mecánicos llamados instrumentos de control, de aqui la importancia
que tiene el estudio y conocimiento de la instrumentación.
Es dificil tener una definición de instrumentación, pero podriamos definirla de
alguna de las siguientes maneras:


Instrumentación es el arte ó ciencia de aplicar instrumentos de emdición y
control a un proceso para determinar la identidad y/o magnitud de ciertas
variaciones fisicas ó químicas con el propósito de controlar estas
variaciones entre limites específicos.
Instrumentación es la aplicación de técnicas y conocimientos de ingeniería,
de dispositivos, de mecanismos para detectar, medir, registrar y controlar,
ya sea una variable ó un conjunto de ellas que pueden estar asociadas en
la elaboración de un producto, en la operación de una maquina o con la
operación de todo un proceso.
Los objetivos que se persiguen cuando se aplica o desea aplicar la
instrumentación pueden ser muchos y muy diversos. Estos objetivos pueden estar
de cierta manera intimamente ligados con otros.
A continuación se mencionaran algunos de estos objetivos. Cabe hacer la
aclaración que en este listado no se establece ningún orden de prioridad, las
prioridades de ellos las establecen las necesidades particulares de cada empresa
o industria.
Disminuir la mano de obra.
Disminuir los costos por manode obra directa.
Aumentar la seguridad del personal de operación.
Aumentar la seguridad tanto del equipo involucrado en el proceso como del
proceso.
Aumentar la exactitud y presición de las mediciones.
Disminuir los márgenes de tolerancia de los productos.
Aumentar la eficiencia de los equipos y del proceso.
Aumentar los volumenes de producción.
Reducir los tiempos de producción.
Lograr un aprovechamiento mas integral de las materias primas.
Disminuir el mantenimiento correctivo en los equipos.
Aumentar la calidad de los productos, etc.
Cierto es que estos objetivos se logran con auxilio de la instrumentación, pero
también se advierte que se debe ser sumamente cuidadoso en la selección y
determinación de instrumentos y de las formas ó arreglos de control, para
asegurar que estos sean realmente operativos al proceso, a las circunstancias y a
las condiciones que los rodean.
1.2 Definiciones y conceptos
DEFINICIONES PARA EL ANALISIS DE INSTRUMENTOS Y SISTEMAS DE MEDICION 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 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. 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.
9. 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.
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 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.
11. 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.
12. 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.
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
15. 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.
16. INSTRUMENTOS REGISTRADORES: Expresan la señal con trazos continuos a puntos.
17. 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.
18. 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 OPTICOS, INSTRUMENTOS INDICADORES REGISTRADORES: Permiten la
monitorización.
TRANSMISORES: Se encuentran de los dos tipos ciegos e Indicadores.
PANEL DE MONITORIZACION Y CONTROL: Instrumentación virtual, donde los Instrumentos son
simulados en el PC.
Panel donde se encuentran instrumentos indicadores virtuales y controladores.
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 limites 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.
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.
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 esta entre 0 y 3psi y la elevación de cero esta entre 3 y 4psi. La zona muerta
es equivalente 7psi -+1%.
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 limites de error.
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 altas 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 p.s.i., 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).
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.
NOTA: Todas las señales manejan ciertos estándares para los valores máximos y mínimos:
CORRIENTE
VOLTAJE
PRESION
4 – 20mA
0 – 20mA
0 – 5 V DC
0 – 10 V DC
3 – 15 psi
-
ESQUEMAS Y SIMBOLOGIA BASICA DE LOS DIAGRAMAS DE INSTRUMENTACION:
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 : PRESION.
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 GRAFICO CON SU
INSTRUMENTACION:
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
1.3 Simbología, Normas y Sistema de Unidades
1.4 Norma SAMA
En instrumentación y control se emplea un sistema especial de notación,
simbología y terminología. El conocimiento de la notación de la simbología
implican por si mismo la expresión de ideas por medios gráficos, esto hace que
tales ideas se adoptan como lenguaje. Si este tipo de lenguaje toma
características especialess de una rama de ingeniería, sus expresiones se
constituyen como lenguaje industrial. Si el lenguaje industrial se estandariza y
normaliza, podrá ser interpretado por cualquier persona sin importar su
nacionalidad.
Es importante recalcar que la normalización de la terminología ha sido dificil,
debido a que los ingenieros y técnicos usan a menudo varios terminos para
referirse a un mismo fenómeno ó cosa.
Varias sociedades y organizaciones profesionales han contribuido en la
normalización y estandarización de la notación, simbología y terminología que se
usan en la instrumentación. De ellas, 5 son de mayor importanci en esta rama,
estas son:
1.- S.A.M.A (Asociación de fabricantes de aparatos científicos)
2.- I.S.A (Sociedad de instrumentistas de América)
3.- A.S.M.E (Sociedad americana de ingenieros mecanicos)
4.- I.E.E.E (Instituto de ingenieros electrónicos y eléctricos)
5.- A.N.S.I (Instituto nacional americano de medidas)
La identificación de cada instrumento se usa para designar a todo tipo de
instrumentación en trabajos escritos y al combinarlos con símbolos dibujados en
diagramas y planos en general.Existen dos formas las cuales son:


Identificación general, cuando se use una combinación de letras para
establecer su propósito y función.
Identificación especifica, cuando la combinación de letras acompaña a
números que sirven para identificar al instrumento mas detalladamente.
En la identificación general se utilizan las letras del alfabeto pero el uso de estas
letras y sus combinaciones esta reglamentado (ver la tabla 1).
REGLAS DE IDENTIFICACIÓN GENERAL
Las letras de identificación se escribirán en todos los casos con mayúsculas, las
únicas excepciones lo son en el uso de la "d, r y p" (esta ultima en la combinación
pH únicamente).
El máximo de letras permitidas en cualquier combinación será de 4, la única
excepción lo constituye en el uso de símbolos químicos como CO etc.; en donde
estos símbolos se consideran como una sola letra.
Cada letra tendrá un solo significado al usarse como primera letra en cualquier
combinación, definiendo la variable del proceso.
Cada letra tendrá un solo significado cuando se usa como segunda o tercera letra
en una combinación al definir el tipo de servicio que presta el instrumento.
APLICACIÓN DE LA IDENTIFICACION
Las identificaciones serán usadas, hasta donde sea posible, para reconocer todo
tipo de instrumentos, con todos sus componentes, evitando el usar identificaciones
independientes asignadas a cada pieza. A continuación se dan una serie de
instrucciones para las diferentes aplicaciones de la identificación.
En combinación de los instrumentos que miden más de una variable o que tienen
mas de una combinación, cada porción de la combinación tendrá una
identificación propia. Así una combinación de registro para flujo y presión se
representará por FR-1 y PR-3.
Instrumentos de varias plumillas, con servicio idéntico y provisto además de las
mismas funciones tendrán una sola identificación. Los elementos separados y sus
componentes se identifican por medio de un número como sufijo agregado al
número del instrumento, por ejemplo: TR-300-1, TR-300-2.
En instrumentos con transmisión remota, tanto el receptor como el transmisor
tendrá la misma identificación, de acuerdo con el servicio y función del
instrumento.
Cada válvula automática tendrá la misma identificación que el instrumento de
control por el cual es actuado y la letra V inmediatamente después. Cuando son
actuados por el mismo controlador mas una válvula, estas se identifican por medio
de letras con sufijos, agregados al número del instrumento; ejemplo: TRC-11, etc.
Los accesorios diversos como lo son posicionadotes de válvulas automáticas,
relevadores neumáticos, interrumpidos, reguladores de aire, etc. Que requieren
identificación, serán designados con la misma nomenclatura del instrumento al
cual están conectados o con los cuales trabajen.
Los elementos primarios de medición tendrán designados la misma identificación
que los instrumentos a los cuales están conectados.
1.5 Norma ISA
Generalidades
A) Cada instrumento debe identificarse con sistema de letras
que lo clasifique funcionalmente.
B) El número de letras funcionales para un instrumento debe
ser mínimo, no excediendo de cuatro. Para ello conviene:
1.- Disponer las letras en subgrupos. Por ejemplo, un
transmisor registrador de relación de caudales con un interruptor de
alarma de relación de caudales puede identificarse con dos círculos
uno con FFRT-3 y el otro FFS-3.
2.- En un instrumento que indica y registra la misma variable
medida puede omitirse la letra I (indicación).
3.- Los bucles de instrumentos de un proyecto o secciones de
un proyecto deben identificarse con una secuencia única de
números. Esta puede empezar con el número 1 o cualquier otro
número conveniente, tal como 301 o 1201 que puede incorporar
información codificada tal como área de planta.
4.- Si un bucle dado tiene más de un instrumento con la
misma identificación funcional, es preferible añadir un sufijo, ejemplo
FV-2A, FV-2B, FV-2C, etc., o TE-25-1, TE-25-2, TE-25-3, etc. Estos
sufijos pueden añadirse obedeciendo a las siguientes reglas:
a) Deben emplearse letras mayúsculas, A, B, C, etc.
b) En un instrumento tal como un registrador de temperatura multipunto
que imprime números para identificación de los puntos, los elementos
primarios pueden numerarse TE-25-1, TE-25-2, TE-25-3, etc.
c) Las subdivisiones interiores de un bucle pueden designarse por sufijos
formados por letras y números.
d) Un instrumento que realiza dos o más funciones puede designarse por todas
sus funciones. Por ejemplo, un registrador de caudal FR-2 con pluma de presión
PR-4 se designa preferentemente FR-2/PR-4 o bien UR-7; un registrador de
presión de dos plumas como PR-7/8; y una ventanilla de alarma para temperatura
alta y baja como TAH/L-9.
e) Los accesorios para instrumentos tales como rotámetros de purga, filtros
manorreductores y potes de sellos que no están representados
explícitamente en un diagrama de flujo, pero que necesitan una
identificación para otros usos deben tenerla de acuerdo con su función y
deben emplear el mismo número del bucle que el del instrumento asociado.
Alternativamente, los accesorios pueden emplear el mismo número de
identificaci6n que el de sus instrumentos asociados, pero con palabras
aclaratorias si ello es necesario.
Por consiguiente, una brida para una placa-orificio FE-7 debe designarse como
FX-7 o bien como FE-7 brida. Un rotámetro regulador de purga asociado con un
manómetro PI-8 debe identificarse como FICV-8, pero puede también marcarse
PI-8 purga. Una sonda empleada con un termómetro TI-9 será TW-9, o bien, TI-9
sonda.
(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 módulo de elasticidad y como
sucesiva un osciloscopio.
(2) La letra sin clasificar X, puede emplearse en las designaciones no indicadas
que se utilicen sólo una vez o un número limitado de veces. Se recomienda que su
significado figure en el exterior del circulo de identificación del instrumento.
Ejemplo: XR-3 registrador de vibración.
(3) Cualquier letra primera si se utiliza con las letras de modificación D
(diferencial), F (relación) o Q (integración) 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 1.1,
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
primeras letras, es opcional.
(6) El empleo de los términos de modificaciones alto, medio, bajo, medio o
intermedio y exploración, es preferible pero opcional.
(7) El término seguridad, debe aplicarse sólo a elementos primarios y a elementos
finales de control que protejan contra condiciones de emergencia (peligrosas para
el equipo o el personal). Por esto motiva, 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 do emergencia de presión sin tener en cuenta si 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 proporcionan
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 L. Por ejemplo, una luz piloto que indica
un período de tiempo terminado se designará KL. Sin embargo, si se desea
identificar una luz piloto fuera del bucle de control, la luz piloto puede designarse
en la misma forma a bien alternativamente por una letra única L. 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. La actuación de la luz piloto puede ser acompañada por una señal
audible.
(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 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 está, o se aproxima a la posición de apertura completa.
Baio: denota que se acerca o está en la posici6n completamente cerrada.
2.1
Sensores de Presión
PRESIÓN:
a) DEFINICIÓN Y CONCEPTOS RELACIONADOS CON LA PRESIÓN
a-1) PRESIÓN:
La presión se define, como la acción de una fuerza en contra de otra fuerza
opuesta. Se considera como la fuerza por unidad de superficie.
La presión "P" ejercida por una fuerza "F" aplicada sobre un area plana "S" se
expresa por:
P = F/S = Fuerza / Superficie
a-2) VARIABLE PRESIÓN:
La variable presión se define como el efecto de una fuerza generada por un
proceso que actúa sobre la superficie de un equipo, linea o sistema de medición:
su valor esta limitado por el rango de diseño del elemento primario de medición, el
cual es componente del medidor de presión.
Para cuantificar las presiones y relacionar un valor con otro, se hace necesario
establecer una escala de valores la cual se selecciona según si el valor que se
trata de medir sea alto o bajo; también dependerá del sistema de unidades que se
emplee.
a-3) PRESIÓN ATMOSFERICA:
El hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire) y tener este aire un peso
actuando sobre la tierra, significa que los cuerpos estan sujetos a una presión
atmosferica, es decir la presión ejercida por la atmósfera de la tierra tal como se
miden normalmente por medio del barometro, al nivel del mar o alturas muy
proximas a este.
El valor de la presión es cercano a 14.7 lbs/plg2 absolutas o de 29.9 pulgadas de
HG (760 mm de Hg absolutos) disminuyendo estos valores con la altitud.
Se refiere a presiones manométricas inferiores a la atmosférica, la presión de
vacio se mide mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las
presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor
desconocido y la presión atmosférica existente.
Los valores correspondientes al acercarse a cero absoluto y por lo general. Se
expresan a modo de "pulgadas de agua", o "milimetros de mercurio". En este
caso, del mismo modo que para las presiones manometricas, las variaciones de la
presión atmosférica solo tienen un pequeño efecto en las lecturas de indicador de
vacio, sin embargo tales variacioness son de importancia, ya que todo el intervalo
hasta llegar al cero absoluto solo comprende 14.7 lbs/plg2 absolutas.
a-4) PRESIÓN ABSOLUTA:
La presión absoluta es la presión de fluido medida con referenciaal vacio perfecto
o a presión absoluta equivalente a cero.
La presión absoluta equivalente a cero se obtiene únicamente cuando no existe el
choque entre moléculas, por lo cual implica que la proporción de moleculas en
estado gaseoso o la velocida molecular sea muy pequeña.
En terminos más simples, la presión absoluta es la fuerza por unidad de área que
se ejerce sobre una superficie limitante o divisoria; es decir, la presión que indica
el manómetro ordinario sumada a la presión atmosférica.
a-5) PRESIÓN DIFERENCIAL:
La presión diferencial constituye la diferencia entre dos presiones medidas, tal
como la correspondiente a la entrada y salida de una linea de proceso de algún
cambiador de calor, con lo cual se define la caida de presión. La presión
diferencial se mide con un instrumento diseñado para indicar diferencia de
presiones.
a-6) PRESIÓN ESTATICA:
Esta presión equivale a la fuerza por unidad de área que actua sobre una pared de
tuberia, la cual es provocada por algún fluido en reposo o cuyo flujo es paralelo a
la pared del conducto, a esta presión también se el denomina "Presión de línea".
a-7) PRESIÓN DE VELOCIDAD:
Esta presión es provocada por la velocidad del flujo, también se le conoce como "
Carga de velocidad o presión de impacto".
a-8) PRESIÓN TOTAL:
Junto con la presión estatica, la cual actua en todas direcciones y la presión de
velocidad, se genera la presión total, también conocida como presión cinetica.
a-9) LIBRAS O TONELADAS TOTALES:
También se le conoce como "toneladas en el aire hidraulica". Estos terminos
frecuentemente se encuentran en los aspectos relacionados con la maquinaria
hidráulica. Estos expresan la fuerza en libras o toneladas que actuan sobre cierta
area, como el caso de un arite hidráulico.
P(lb) = lb/plg2 manXplg2 de area
tons (en ariete) = (lb/plg2 manXplg2 de area del ariete)/2000
Asimismo, cuando se requiere seleccionar un intervalo de presión manometrica
para incluir las "toneladas en el ariete", la ecuación 2 se transforma en la
siguiente:
lb/plg (intervalo) = tons en ariete X 2000 / plg2 de area del ariete
El valor de plg2 determinado en esta forma, generalmente se duplica para
disponer de un margen de trabajo seguro y mantener una calibración más
adecuada cuando el monometro se encuentre en uso.
a-10) UNIDADES DE PRESIÓN:
Debido a que los instrumentos originales para la medición de la presión eran
manometros de tipo de tubo "U" o mecanismos similares, las unidades de carga
líquida se han empleado por costumbre tanto en los trabajos de ingenieria como
de tipo cientifico para expresar los valores de presión.
como unidades de longitud se utilizan tanto las unidades del sistema métrico
decimal como las del sistema inglés, es decir, pulgadas, pies, centimetros,
milimetros y debido a que el tipo de liquido que se utiliza en los instrumentos de
tipo "U" para medir la variable presión es agua o mercurio, los cuales tienen
densidad diferente, es necesario señalar el liquido en la forma de "pulgadas de
agua" o "pulgadas de mercurio".
Para las unidades de carga liquida, la densidad del liquido varía con la
temperatura, por lo tanto es necesario establecer una temperatura estandar y que
corresponde al liquido empleado. En el caso del agua,la temperatura estandar es
de4 °C o 39 °F, para el mercurio 0 °C o 32 °F.
Cuando las presiones se indican a modo de fuerza por unidad de área, también se
emplea tanto las uniadades del sistema inglés como las del sistema métrico
decimal, las unidades mas comunes son las unidades gravitacionales o de peso;
la libra, el gramo o el kilogramo.
Las unidades mas comunes de área son la "pulgada cuadrada" y el "centimetro
cuadrado", las unidades de área son consistentes con la unidad de peso y ambas
se indican en el sistema ingles o metrico decimal.
Otra formas de explicar la presión es en "atmosferas", ésta unidad simplemente
utiliza el valor de 14.7 lb/plg2 o su equivalente en unidades del sistema métrico
decimal (1.033Kg/cm2) y, es el valor de presión atmosferica estandar y se define
como "una atmosfera".
La unidad peso de fuerza multiplicada por "g", es decir, la aceleración debida a la
gravedad, equivalente a la unidad absoluta de fuerza. En unidades inglesas el
valor aproximado de "g" es de 32 pies/seg2. En unidades del sistema metrico
decimal "g" es cercano a 980 cm/seg2, por lo tanto un gramo equivale a cerca de
980 dinas.
b) MECANISMOS, METODOS Y RANGOS PARA MEDIR LA VARIABLE
PRESIÓN
b-1) PATRONES DE PRESIÓN:
En el proceso y en el laboratorio es necesario conservar patrones satisfactorios
para comprobar y calibrar los instrumentos medidores de presión. La exactitud de
tales patrones varia de acuerdo con el grado de exactitud requerido en el sistema
de medición; los modelos tipicos son:
1.- Los manometros de prueba de gran exactitud, los cualess por si mismos deben
compararse en contra de otro patrón absoluto de mayor exactitud.
2.- Los probadores de columna liquida, los cuales comparan el mecanismo que se
prueba en contra de una carga liquida desconocida.
3.- Los probadoress de peso propio de balanza, que proveen de una fuerza
conocida por medio de pesas.
Durante la realización de la prueba se dispone de medios adecuados para lograr
la presión interna requerida en cierto sistema y para mantener constante los
valores, los que pueden compararse a modo de lecturas en el instrumento que se
somete a prueba y en el instrumento normalizado de prueba.
c) CLASIFICACIÓN DE LOS METODOS DE MEDICIÓN DE LA VARIABLE
PRESIÓN
Existen dos metodos para medir la variable presión y son:
Metodos directos.
Metodos indirectos.
1.- El metodo directo es en el cual se observa la variable presión a traves de un
instrumento que indica directamente el valor sobre una caratula o referencia que
representa el rango de la variable.
2.- El metodo indirecto consiste en medir la variable presión atraves de un
dispositivo de medición llamado transmisor, el cual transforma la magnitud de la
variable a una señal eléctrica o neumatica proporcional y de rango estándar, la
cual es enviada hasta un indicador o registrador instalado a distancia.
Por otra parte los instrumentos para la medición de la variable presión se clasifican
de diversas formas, cada una con cierto valor como guia para el usuario, para la
explicación de los principios de operación, para nuestro caso los agruparemos
como sigue:
TIPOS DE MEDIDORES DE DEFORMACIÓN:
Estos pertenecen a un metodo de tipo electrico, en la practica los fabricantes de
los instrumentos han demostrado tener gran inventiva, ya que han adaptado
principios fisicos o electricos en una varieadad de convinaciones; Para satisfacer
ciertas aplicaciones necesarias es dificil incluir todas las variantes, los metodos
como el principio de "balanceo de cero" o el de "balanceo de fuerza" se emplean
bastante en la instrumentación para diversas variables de una forma satisfactoria.
TIPOS DE MIEMBRO ELASTICO:
Son los que en la presión que se trate de medir deforman un tubo de Bourdon u
otro miembro elástico, con lo cual desarrolla una fuerza de equilibrio en tal forma
que permita su calibración para obtener la medición.
TIPOS DE VALANZA DE GRAVEDAD:
Son aquellos en los que una columna de liquido, como la de Hg balancea la
presión desconocida por medio de la fuerza gravitacional de la carga del liquido.
En esta clase se incluyen los manometros de tubo "U" y sus variantes. El pistón
cargado de pesas, como en el caso de "probador de peso propio", lo mismo que
las campanas de sello líquido (mecanismos que dependen del peso para
valancear la presión desconocida).
TIPOS DE MEDICIÓN DE ALTO VACIO:
La mayoria de los métodos para medición de alto vacio (menos de 0.1 mm de Hg
abs.) son de tipo electrico, indirectos, uno de ellos consiste en determinar el efecto
de la disipación del calor desde un alambre caliente (medidor de vacio tipo
termopar).
d) ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIÓN TIPO FUELLE CAPSULAS Y
DIAFRAGMAS
d-1) ELEMENTO FUELLE:
El elemento fuelle se considera una unidad para medir presión básicamente, tiene
la propiedad de ser expandible y flexible para contraers, su forma fisica es un tubo
cilindrico de pared delgada; el tubo está corrugado de tal forma que se contrae o
expande facilmente.
Su rango de medición está determinado por el numero de corrugaciones, asi como
su diametro de construcción.
El elemento es mas sencible en cuanto mayor es de diametro. El material con que
se fabrican los fuelles es del tipo metálico, en laminas delgadas como es el latón,
bronce y cobre, aluminio, acero inoxidable, monel y aleaciones de estos metales,
de modo que sus caracteristicas y selección del material esta en función del rango
a medir y del fluido a manejar en el proceso asi como las condiciones de
operación.
Los componentes esenciales del fuelle permiten obtener la transmision de una
fuerza y transformarla de fuerza mecánica a otro tipo de energía dependiendo de
las caracteristicas del instrumento; el arreglo mas simple para medir presión es
colocar al fuelle en oposición y facilidad de la medición, de modo que cuando la
presión interior del fuelle aumenta, se extiende para forzar el resorte y la
expansión se detendra cuando la fuerza de la presión sea igual a la fuerza de
oposición del resorte multiplicada por el área efectiva en el extremo del fuelle.
d-2) ECUACIÓN PARA FUELLES OPUESTOS A UN RESORTE:
d = P (Ao/Ko+Ks)
donde:
d = Deflexión del fuelle en pulgadas.
P = Presión aplicada en PSI.
Ao = Area efectiva del fuelle en pulgadas cuadradas.
Ko = Fuerza del resorte en lb/plg2 (tablas de fabricante)
Ks = Constante del resorte en lb/plg2 (tablas del fabricante)
ECUACIÓN PARA CALCULAR LA PRESIÓN DEL FUELLE:
P = d (Ko + Ks)/Ao
d-3) APLICACIÓN DEL ELEMENTO FUELLE:
Para presiones de 13 320 cm de agua se puede usar la unidad. Esta unidad de
medición se encuentra en la parte posterior del instrumento y contiene un resorte y
un fuelle, debido a lo profundo de sus pliegues presenta una gran superficie, por lo
que la fuerza desarrollada es igual a la que se puede lograr con unidades del tipo
de diafragma del mismo diametro. La calibración del rango de presión se hace por
medio de un resorte, el cual se encuentra en la parte externa del fuelle y por lo
tanto no queda expuesta a la acción corrosiva del medio.
Para vacio y rangos comvinados también se requiere un resorte interno, debido a
que el material conque esta hecho el fuelle no es apropiado para lograr una
calibración precisa. Para rangos de 230 a 1150 cm de agua o aproximadamente
0.23 Kg/cm2, es empleada una unidadde resorte y fuelle mas pequeño; esta
unidad por su tamaño, permite ser instalada en el interior de la caja del
instrumento tanto la operación como la apariencia externa son identicos al modelo
anterior descrito.
Para medición de vacio se emplea un tipo diferencial de unidad de fuelle y resorte,
la principal en que la presión existente entre el espacio comprendido entre el fuelle
y la cubierta, es reducida, permitiendo a la presión atmosferica ensanchar el fuelle.
d-4) MEDIDOR DE PRESIÓN ABSOLUTA:
En muchas ocaciones la presión atmosferica esta cambiando constantemente y,
en los procesos donde se necesita mantener la presión absoluta uniforme, el uso
del medidor de vació no es satisfactorio porque es necesario un control
automatico. El medidor de presión absoluta fue diseñado para cubrir las
necesidades de procesos como el antes mencionado. La apariencia exterior del
medidor de presión absoluta es identica a la de los instrumentos actuados por
espiral o fuelle. El conjunto de resorte fuelle de la parte superior es evacuado
hasta lograr el mayor vacio y sellado posible, mientras que el conjunto de la parte
interior esta abierto a la atmosfera cuando el instruemnto no esta en uso.
La parte inferior de la unida sellada y la parte superior del fuelle inferior estan
unidas a la misma placa, la cual es libre de moverse verticalmente. Los otros
extermos de estas uniadades estan sujetas a una pieza fundida, mantenidas en
posición fija una con respecto a la otra. Cuando la presión atmosferica aumenta,
asumiendo que el fuelle inferior sigue abierto a la atmosfera, el fuelle superior se
suprime ligeramente haciendo que la placa movible suba, este movimiento se
transmite mecanicamente a la pluma o puntero.
La escala de este instrumento es inversa, es decir, el cero de la escala esta en el
extremo derecho y el valor maximo en el extremo izquierdo y, por lo tanto cuando
la presión atmosferica aumente el puntero atmosferico cambiara se mover a a la
izquerda mostrando una lectura mayor.
En esta forma, la posición del puntero es automaticamente corregida por cambios
en la presión atmosferica y, por lo tanto es necesario aplicar ningun factor de
corrección para obtener las lecturas de presión.
El rango minimo de este instruemnto con fuelle de latón es de 0 a 100 mm de Hg
absolutos, mientras que la maxima es de 0 a 1.75 Kg/cm2 absolutos.
Cuando se va a trabajar bajo condiciones corrosivas, este instrumento puede tener
fuelles de acero inoxidable, entonces el rango minimo es de 0 a 200 mm de Hg
absolutos y el maximo es de 0 a 1520 de Hg absolutos.
También se emplea el instrumento para medir presiones absolutas aplicando
también para presiones diferenciales.
d-5) CAPSULAS:
Consisten básicamente de dos diafragmas metálicos que son soldados alrededor
de su peiferia. Algunas capsulas se rellenan con material organico del tipo silicón
otras son sujetas al vacio con objeto de medir presiones absolutas, la sensibilidad
y exactitud de una capsula aumenta en proporción a su diametro y a su
construcción: Los diametros varian de una pulgada a 6 pulg.
Su material de construcción es de tipo metálico, el cual abarca diferentes
composiciones o aleaciones especiales.
La división basica de las capsulas es de tipo convexa, de tipo anidada y de tipo
multiple; todas estan en función de su operación y de acuerdo al valance de
fuerzas o de movimiento, es decir, al tipo de medidor.
d-6) DIAFRAGMAS:
Se acostumbra usar diafragmas metálicos en medidores de presión diferencial,
transmisores de presión y transmisores electricos en los que la presión estatica
puede ser muy superior a la fuerza de ruptura del material usado de los fuelles.
Estos diafragmas se construyen en forma de disco y, con mucha frecuencia,
tienen superficies corrugadas para incrementar el area de la superficie y la
capacidad de deflexión de está.
La deflexión del diafragma depende del tipo de material con que se construye, de
su espesor, del diametro del disco, de la forma del corrugado, de la cantidad de
costillas del modulo de elasticidad del metal y la presión aplicada ademas, los
materiales que se usan para su construcción deben permitir un coeficiente de
transmisión muy alto con una perdida de rango de un valor menor del 0.1%. La
profundidad, la cantidad de corrugado y el angulo de formación de la cara del
diafragma determinan la sensibilidad y linealidad de este para usarlo como
detector de presión. El diafragma se presenta como un disco plano y liso o con
corrugaciones concéntricas, construido generalmente con material metálico, con
dimenciones muy precisas tanto en diametro como en espesor, su caracteristica
principal como sensor de presión son el rango y sus propiedades de deflexión.
d-7) APLICACIÓN DE SENSORES TIPO DIAFRAGMA O CAPSULA:
En el tipo de medidores de presión a base de elementos a diafragma o cápsula, el
principal objetivo es fijar el rango de medición de acuerdo a los limites máximo y
minimo de medición de la variable; no menos importante también determinar el
tipo de medio de acuerdo a sus sistema de energía operante, los rangos
adecuados para medir la presión varian de acuerdo al proceso, pero se pueden
fijar entre 0 y 10 Kg/cm2, denominadose medición de baja presión; de 10 a 70
Kg/cm2 se denomina presión media y de 70 a 200 Kg/cm2 alta presión, arriba de
este último valor no es recomendable el uso de diafragmas o capsulas. Para
presiones devacio los rangos oscilan entre 0 a 100 mm de Hg para vaja presión,
de 100 a 400 mm de Hg para media presión 400 a 760 mm de Hg para alta
presión, por lo tanto se tiene que el diafragma es un sensor que cubre todo el
rango para alto vacio.
d-8) MANOMETRO DE DIAFRAGMA:
El medidor de diafragma es probablemente el mejor ejemplo de una unidadde
medición de presión con un verdadero equilibrio de fuerzas. Estos medidores
están diseñados con un área relativamente grande de material flexible con buenas
propiedades selladoras y facilmente deformables.
El manómetro de diafragma usado para medir presiones 2.5 a 250 cm de agua. El
diafragma está hecho de material flexible para asegurar su flexibilidad por largo
tiempo éste se encuentra generalmente opuesto a un muelle el cual es
deflexionado en proporción directa a la presión aplicada. Un eslabon une al muelle
con el mecanismo del puntero, haciendo que este se mueva a lo largo de la
escala.
El siguiente mecanismo es similar al anterior descrito, en este caso el diafragma
es metálico de una o mas capsulas conectadas a una barra común, el total de la
deflexión es la suma de la deflexión de todas las capsulas.
e) ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIÓN PARA LA VARIABLE PRESIÓN, TIPO
BOURDON, HELICOIDAL Y ESPIRAL.
e-1) GENERALIDADES:
e-2)ELEMENTO BOURDON:
El elemento Bourdon fue inventado en 1851 y patentado en 1852 por Eugene
Bourdon; consiste esencialmente en un tubo cerrado por un extremo, que tiene
una sección transversal ovaladay está curvado a lo largo para formar una sección
transversal ovalada y está curvado a lo largo para formar una sección circular o
varios circulos continuos tomando la apariencia de un resorte de forma helicoidal o
espiral. El Bourdon cuenta además con un extremo abierto poe el cual se conecta
directamente al proceso, el elemento cerrado va al sistema de indicación o de
transmisión a fin de convertir la energía mecánica a una cantidad que representa
el valor de la presión medida.
Probablemente el medidor de tubo de Bourdon es el medidor de presión industrial
que más se usa y se aplica tanto a presiones como vacios, al igual que el mediodr
de fuelle o diafragma ya sea por separado o en un medidor compuesto.
En la mayoria de las mediciones de presión en la industria, el tubo de Bourdon se
encuentra integrado a transmisores cuyos rangos variantes alcanzan a cubrir las
necesidades de emdición en el proceso industrial, este elemento siendo
netamente de función mecánica se puede conbinar con multitud de dispositivos y
arreglos a fin de obtener a partir de una medición mecánica, una señal transmitida
la cual puede ser neumatica, electrónica o de cualquier tipo.
e-3)ELEMENTO DE BOURDON PURO:
Representa la utilización de la energía mecánica para formar como elemento
primario de medición, unsistema detector o un sistema de transmisión. Su
operación consiste básicamente en que al aplicarle una presión al tubo de
Bourdon este tiende a enderesarse provocando con esto un angulo de deflexión,
dicho movimiento es transmitido a un indicador puntero por medio de un sector y
piñon dentado; el angulo de deflexión o expanción comvinada permite un
movimiento de aproximadamente 3/8", en el extremo móvil de tal manera que si no
tiene más que un sistema de amplificación quedara un movimiento radial de 260°
geometricos.
La construcción de este elemento es a base de material metálico como por
ejemplo: bronce al carbón, acero inoxidable, aleaciones de acero monel,
aleaciones de niquel, etc., su exactitud de respuesta varia de 0.25 a 1% del rango,
dependiendo del valor de construcción que normalmente es del orden de 15 PSI a
10000 PSI.
Otra ventaja es la de soportar tempeaturas máximas de proceso que fluctuan entre
los 50 °F a 600 °F de acuerdo a su construcción.
Por ser de la familia de los elementos elásticos de la industria encuentra mucha
aplicación.
e-4) ELEMENTO HELICOIDAL:
Este elemento es una variación del clásico tubo Bourdon simple excepto que es
hecho en forma de espiral, teniendo de cuatro a cinco vueltas, incrementandose
con esto la carrera del extremo libre. Este diseño transmite solamente el
movimiento circular al brazo de la plumilla y es directamente proporcional a los
cambios de la presión, un eje central se encuentra entre el espiral y el brazo de
plumilla, de tal manera que cualquier movimiento del espiral es transmitido
directamente del indicador.
Esta diseñado de tal manera que el numero de vueltas de un movimiento de una
relación de 1:1 con el puntero evitando cualquier error de multiplicación.
Este elemento es ampliamente utilizado como indicador o registrador de presión;
se tiene en rangos de:
Rangos de: 0 - 201 a 0 - 800,000 PSI.
Sobrerangos: 260 a 80,000 PSI.
Vacios: no se aplica.
Se construyen con materiales de alta resistencia y de alto coeficiente de sobre
presión; acero monel, inoxidable, etc.
e-5) ELEMENTO ESPIRAL:
Los elementos medidores en forma de espiral son una segunda modificación del
tubo de Bourdon y es ampliamente usado en la medición de presión en la
industria, pues amplifica el trabajo mecánico del Bourdon, además la espiral no
necesita cremallera ni piñon, por otra parte, se conecta al indicador por medio de
un simple brazo; este eslabonamiento directo reduce a un minimo la fricción,
elimina la inercia, incrementa la precisión y la respuesta de medición.
Este tipo de elemento es recomendable por sus características para utilizarse en
registradores y en instrumentos medidores de presión de 10 a 4000 lb/plg2.
Las espirales de bronce, acero y acero inoxidable son disponibles en rangos de: 0
- 10 a 10 - 4000 lb/plg2.
e-6) CARACTERISTICAS DE LOS ELEMENTOS ELASTICOS BOURDON,
ESPIRAL Y HELICE.
RANGO DE OPERACIÓN TIPO Y MATERIAL DEL ELEMENTO
0 - 700 mm de vacio Bourdon simple, para vacios y bajas de presiones. " Material:
bronce para liquidos y gases corrosivos.
0 - 21 Kg/cm2 Bourdon simple: medición de liquidos y vapores en valores " bajos
de presión. " Material: comúnmente acero al carbón y acero inoxidable.
21 - 70 Kg/cm2 Espiral: los materiales de construcción son de acuerdo al " fluido a
medir. Acepta cambios bruscos de presión no le " afectan temperaturas de 300 °C.
Utilizado principalmente " como sensor en mediciones de presión.
70 - 110 Kg/cm2 Espiral o helice: construidos con material para alta resistencia " y
aleaciones especificas. Opera en valores altos de presión.
De 300 Kg/cm2 en Helice: recomendado para altas presiones, deberá tener
adelante hasta caracteristicas de normas especiales y material de aleación 5000
Kg/cm2 especial; acepta temperaturas de 300 °C. " Empleado en procesos
peligrosos por su sobreprotección.
f) ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIÓN DE TIPO COLUMNA Y DETECTOR
HUMEDO.
f-1) MEDIDOR DE COLUMNA:
Los medidores de columna y detector húmedo son conocidos como "Elementos
sensores del tipo detector humedo" y operan en base al desplazamiento de un
liquido provocado por una presión.
El medidor de tubo en "U", aparte de ser el más antiguo es uno de los más
exactos, se usa como patrón para establecer la presición de todos los modelos de
instrumentos medidores de presión.
En la forma más simple éste consiste de un tubo de vidrio o de otro material
transparente en forma dee "U", con una perforación interna de un diámetro de 1/4
de pulgada o más y un espesor de pared adecuado que soporte la presión a que
es sometido.
El tubo en "U" se llena con un liquido tal como agua, mercurio (H), aceite o
cualquier otro liquido de densidad conocida hasta la marca de cero. Cuando la
presión es aplicada através de sus brazos, el nivel del líquido en este brazo baja,
mientras que el otro sube. Cuando el tubo en "U" se utiliza para medir presión
absoluta se cierra uno de los brazos. Entonces la presión aplicada será de
acuerdo con la siguiente expresión algebraica:
P = dh
donde:
P = Presión manométrica.
d = Densidad del líquido.
h = Diferencia de nivel del líquido.
En cada caso la densidad del líquido determina la altura de la columna que
representa la presión. En donde tres líquidos de densidades diferentes se exponen
a la misma presión. El manometro (a) está lleno de agua, la cual tiene una
densidad maxima de 4°C; a esta temperatura el agua pesa 62.428 lb/pie3 en
unidades del sistema inglés o 1 gr/cm3 en el sistema metico decimal, el tubo (b)
esta lleno de aceite y el tubo (c) contiene mercurio; basta una simple observación
para darse cuenta que la altura del tubo (b) es mayor que la del tubo (a) y que la
altura del tubo (c) es mucho menor que la del tubo (a). Esto es natural puesto que
el tubo del manómetro (a) es agua, cuya densidad se considera igual a la unidad,
la densidad o gravedad especifica del aceite (b) tiene un valor a/b, es decir 0.78;
en tanto que la del mercurio (b) tiene un valor de 13.56; esto significa que el aceite
es más ligero que el agua y que el mercurio es más pesado que ella en relación
directa a sus densidades.
La ecuación general para manométros de columna líquida se expresa de la
siguiente manera:
P = Kd ( h1 - h2) despreciando K : P = dh
donde:
d = Densidad del líquido
K = Constante de proporcionalidad para efectuar correcciones para unidades y
factores.
H1 = Altura del líquido del brazo conectado a P1.
H2 = Altura del líquido del brazo conectado a P2.
P2 = Presión del sistema.
P1 = Presión atmosferica.
f-2) TUBO INCLINADO:
En un manómetro de cubeta cuyo brazo vertical está colocado en una posición
casi horizontal. Con una área de cubeta grande (A2), en comparación con el area
vertical del tubo inclinado (A1), un pequeño cambio en la altura del nivel del líquido
de la cubeta produce un cambio muy grande en la altura del tubo inclinado. Este
tipo de medidor se utiliza para medir bajas presiones.
Las divisiones de la escala estaran en función de la ecuación: h = L sen a
f-3) MANOMETROS TIPO FLOTADOR:
Este es un manómetro industrial de cubeta, que utiliza mercurio como líquido,
estos manómetros son depósitos metálicos cerrados capaces de soportar
presiones estáticas de hasta 350 Kg/cm2 (500 lb/plg2), normalmente se utiliza
para medir presiones diferenciales en un sistema de alta presión. El flotador
aparece en la posición correspondiente a la presión diferencialde cero cuando el
mercurio está al mismo nivel tanto para la conección corriente arriba como para
corriente abajo, con un incremento de presión deciende del mercurio de la camara
de alta presión o corriente arriba y el de la camara de baja presión corriente abajo,
asciende lo que hace que el flotador de acero se eleve; el flotador se conecta a
una palanca que hace girar un eje, que a su vez impulsa una pluma registradora,
un indicador o ambos mediante un dispositivo adecuado; también se puede
conectar a un mecanismo para transmitir una señal que activa una valvula u otro
mecanismo de control del sistema.
Si el desplazamiento del flotador sobrepasa su rango normal, se cierra una valvula
de retención en la parte superior de la camara de baja presión para evitar pérdidas
de mercurio a traves de la conexión de baja presión; si se produce una presión
diferencial negativa, se activa una valvula de retención similar mediante un
pequeño flotador auxiliar ubicado en la camara de alta presión. Por lo común,
estos manómetros se construyen de tal modo, que la camara de alta presión o
corriente arriba pueda cambiarse para que el instruemento basico sea util para
una amplia variedad de mediciones de presión.
f-4) MANOMETRO DE TIPO CAMPANA:
Los manómetros tipo camara son medidores de presión, están diseñados para
operar mediante la presión de un fluido, este instrumento basa su operación en el
empuje vertical que sufre la campana que se encuentra sumergida en el líquido de
sello contenido dentro del recipiente, cuando el instrumento se usa para altas
presiones, se utiliza mercurio como líquido de sello, cuando es para bajas
presiones se puede utilizar cualquier liquido organico, tal como; aceite, silicón, etc.
El rango del instrumento está en función del peso de la campana y de la densidad
del líquido de flotación. Dicho rango puede ser del orden de 0 - 15 plg de agua o
de 0.21 Kg/cm2, según el tipo con una exactitud cercana al 100%.
Los componentes basicos de un manómetro tipo campana son:
1.- Una camara de flotación.
2.- Una camara de rango.
3.- Un fluido de referencia (Hg).
4.- Un mecanismo de indicación.
5.- Una toma de presión del proceso.
En el medidor de la palanca balanceada se observa que la presión se produce en
la campana por encima del nivel del líquido, el equilibrio se obtiene cuando P1 =
P2 para la indicación de cero, cualquier cambio en la presión bajo la campana, ya
sea aumente o disminuya, hace que el sistema busque una nueva condición de
equilibrio, el indicador esta diseñado y calibrado para proporcionar una lectura
directa de cambio de presión que se produce apartir de la condición de equilibrio
de cero, en este tipo de instrumento el movimiento del brazo de palanca está
limitado 5° aproximadamente y su sensibilidad esta en función de la longitud y
peso del brazo de la palanca.
f-5) MEDIDOR DE PRESIÓN CON DOBLE CAMPANA:
Este arreglo consiste de dos campanas de metal ligero sostenidas por un brazo
balanceado. El brazo descansa sobre un pivote o sea que le sirve de punto de
apoyo, se emplea un contrapeso para equilibrar la deflexión del sistema, el
contrapeso esta sostenido directamente debajo del punto del pivote en el brazo; el
puntero o indicador se sujeta en el punto del pivote, el indicador de este
instrumento señala la presión como una función del angulo de deflexión del brazo
a partir de la posición horizontal.
Conforme se desplaza sobre su eje "Y" por lo tanto la acción de este instrumento
de presión diferencial se expresa de la siguiente manera:
P = P2 - P1 = (Wd / SA )sen Q
donde:
W = peso del contrapeso.
d = distancia del pivote al contrapeso.
A = area de las campanas.
S = distancia de cada soporte de campana a partir del punto del pivote.
sen Q = angulo de deflexión del brazo.
P1 = presión de la campana 1.
P2 = presión aplicada a la campana 2.
f-6) MEDIDOR DE PRESIÓN TIPO CAMPANA CON RESORTE:
En este instrumento la campana se encuentra sumergida dentro de un líquido
sellador, como mercurio (Hg) o aceite ligero, las variaciones de la presión
provocan que la campana sufra un movimiento ascendente o descendente hasta
que se establece una condición de balance o equilibrio entre el peso de la
campana, la fuerza de resorte y la presión ejercida.
La presión y la estabilidad de este medidor estan en función del resorte, cualquier
variación de la calidad del resorte, ajuste incorrecto o la perdida de estabilidad
produce errores en la lectura de medición.
Algebraicamente la presión se expresa como: P = P2 - P1 = ch/A
donde:
c = constante de elasticidad.
h = movimiento vertical de la campana.
A = area anterior de la campana.
P1 = presión fuera de la campana.
P2 = presión dentro de la campana.
f-7) MANOMETRO DE ARO BALANCEADO:
Este es un detector de la clase de tipom húmedo, en este instrumento el líquido
manometrico (Hg) esta contenido dentro de un aro circular, el cual tienen un pivote
en el centro y se balancea por medio de un contrapeso.
La presión diferencial desplaza al mercurio dentro del anillo provocando que este
se incline hasta que el contrapeso balancea el mercurio desplazado, el grado de
inclinación es al medida de la presión diferencial.
Las conexiones a la toma de presión son flexibles, la rotación del aro esta limitada
por el contrapeso y es causada por la diferencia de presión que actua sobre la
sección de corte del tubo. Este medidor se emplea en mediciones de baja presión
y medición de velocidad de flujo.
Tiene intervalo de operación hasta de 10 plg de agua con una exactitud de 1%.
La presión obtenida será:
P = P2 - P1 = ( RW / rA) sen a
donde:
R = radio del contrapeso.
W = peso del contrapeso.
r = radio promedio (del pivote al centro del aro).
A = area del tubo.
Sen a = angulo de inclinación.
g) METODOS DE MEDICIÓN DE PRESIÓN TIPO ELECTRONICO:
g-1) ELEMENTO PIRANI:
El elemento pirani utiliza un circuito de puente de Wheastone que compara las
resistencias de dos filamentos de tungsteno, uno sellado en alto vacio en un tubo y
el otro en contacto con el gas medido y que por lo tanto pierde calor por
conducción. En este transductor es la resistencia del filamento la que refleja la
presión en lugar de su temperatura.
Tiene la ventaja de ser compacto y sencillo de funcionamiento, pudiendo estar a
presión atmosferica sin peligro de conbustión. Tiene el inconveniente de que su
calibración depende de la composición del gas medido. El intervalo de medida es
de 2 X 10 E-3 mm Hg.
g-2) ELEMENTO BIMETALICO:
El elemento bimetálico utiliza una espiral bimetálica clanetada por una fuente de
tensión estabilizada. Cualquier cambio en la presión produce una deflexión de la
espiral, que a su vez está acoplada a un indice que señala en la escala el vacio.
Su intervalo de medida es de 1 X 10 E-3 mm Hg.
g-3) MEDIDORES DE IONIZACIÓN:
Se basan en la formación de los iones que se producen en las colisiones que
existen entre moléculas y electrones (o bien partículas alfa en el caso de
radiación).
La velocidad de formación de estos iones, es decir la corriente iónica, varia
directamente con la presión.
g-4) MEDIDOR DE FILAMENTO CALIENTE:
El medidor de filamento caliente consite en un tubo electronico con filamento de
tungteno rodeado por una regilla en forma de bobina, la cual a su vez está
envuelta por una placa colectora. los electrones emitidos por el filamento caliente
se aceleran hacia la regilla positiva, algunos colisionan con moléculas de gas. La
corriente positiva formada es una función del número de iones y por lo tanto,
constituye una medida de la presión del gas.
Los instrumentos son muy delicados y deben manejarse con cuidado. El filamento
puede quemarse si se somete accidentalmente a presiones superiores a 1X10 E-3
mm Hg absolutos.
Estos traductores son muy sensibles y capaces de medir vacíos extremadamente
altos. Su señal electrica de salida es lineal con la presión. Tienen un inconveniente
de ser sensibles a la composición del gas, de tal modo que en ocaciones el
filamento caliente provoca cambios significativos en su composición entre el
volumen medido y el volumen contenido dentro del tubo electrónico. El intervalo de
medida de estos transductores es de 10 E-3 a 10 E-11 mm Hg.
g-5) MEDIDOR DE CATODO FRIO:
El medidor de cátodo frio se basa en el principio de la medida de una corriente
iónica producida por una descarga de alta tensión. Los electrones desprendidos
del cátodo toman un movimiento en espiral al irse moviendo a través de un campo
magnético en su camino hacia el ánodo. El movimiento en espiral da lugar a que la
separación media entre electrones sea mayor que la distancia entre electrodos.
Por consiguiente, aumenta la posibilidad de colisiones con las moléculas del gas
presente, lo que da lugar a una mayor corriente iónica y de este modo la descarga
catódica se mantiene a una presión mas baja, o sea a un vacio más alto. Este
instrumento puede vaciarse de gases tan rápidamente como el de filamento
caliente, pero es más robusto y no presenta el problema de la combustión del
filamento. Es susceptible de contaminación por el mercurio y puede provocar la
descomposición química de vapores orgánicos a latas tensiones. Su campo de
aplicación abarca de 10 E-2 a 10 E7 mm de Hg. Con una escala logaritmica.
g-6) MEDIDOR DE RADIACIÓN:
El funcionamiento del medidor de radiación es sumamente sencillo, una fuente de
radio sellada produce partículas alfa que ionizan las moléculas de gas en la
camara de vacío, los iones resultantes se recogen en un electrodo, y generan una
corriente que varía directamente con la cantidad de moléculas contenidas en la
camara de vacío; es decir, en forma proporcional a la presión total del sistema.
Como no contiene ningún filamento caliente, el instrumento puede exponerse sin
sufrir daños a la presión atmosferica, no es frágil y mantiene una emisión estable
de particulas alfa.
A muy bajas presiones requere de un preamplificador ya que la corriente
producida es muy pequeña, del orden de 10 E-11 a 10 E-13 amp.; su intervalo de
medición es de 760 X 10 E-4 mm de Hg.
g-7) TRANSDUCTORES RESISTIVOS:
Constituyen, sin duda, uno de los transmisores electricos mas sencillos. Consisten
en un elemento elastico (tubo Bourdon o capsula) que varia la resistencia ohmica
de un potenciometro en función de la presión. El poetnciometro puede adoptar la
forma de un solo hilo continuo o bien estar bien arrollado a una bobina siguiendo
un valor lineal o no de resistencia. Existen varios tipos de potenciometros según
sea el elemento de resistencia: potenciometros de grafito, de resistencia bobinada,
de pelicula metálica y de plastico moldeado. En la figura puede verse un
transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el
elemento de presión y un potenciometro de precisión. El muelle de referencia es el
corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe se unicamente
una función de la presión y ademas debe ser independiente de la temperatura, de
la aceleración y de otros factores ambientales externos.
El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo movilaislado que
se apoya de un potenciometro de precisión. Este está conectado a un circuito de
puente de Wheanstone.
Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente
como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento
de los instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación. Sin embargo,
son insensibles a pequeños movimientos del contacto del cursor, muy sensibles a
vibraciones y presentan una estabilidad pobre en el tiempo.
g-8) GALGAS EXTENSIOMETRICAS (STRAIN GAGE):
Se basan en la variación de longitud y de diametro, y por lo tanto de resistencia
que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión
mecanica por la acción de la presión.
Existen dos tipos de galgas extensiometricas: galgas cementadas formadas por
varios bucles de hilo muy fino que estan pegados a una hoja base de ceramica,
papel o plastico, y galgas sin cementar en las que los hilos de resistencia
descanzan entre un armazon fija y otra movil bajo una ligera tensión inicial.
En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión comprime o estira los hilos
segun sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modificando pues la
resistencia de los mismos.
La galga forma parte de un puente de Wheanstone y cuando esta sin tensión tiene
una resistencia electrica determinada. Se aplica al circuito una tensión nominal tal
que la pequeña corriente que circula por la resistencia crea una caida de tensión
en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones.
Cualquier variación de presión que mueve el diafragma del transductor cambia la
resistencia de la galga y desequilibra el puente.
El intervalo de medida de estos transductores varía de 0 - 0.6 a 0 - 10,000 bar y su
precisión es del orden de mas menos 0.5%.
2.2
Sensores de Flujo
MEDIDOR DE DISCO OSCILANTE:
El medidor de disco oscilante es un instrumento que dispone de una cámara
circular que contiene un disco plano móvil dotado de una ranura en la que esta
intercalada una placa fija, esta placa tiene la función de separar la entrada de la
salida y a la vez impide el giro del disco durante el paso del fluido: es decir la
ranura permite que el disco se deslice a lo largo del resalte en un movimiento
vertical, pero evitando que el disco gire alrededor de su eje.
El mecanismo que transmite el movimiento del disco al tren de engranes, obliga al
eje del disco a formar un ángulo fijo con la vertical.
El movimiento resultante del disco sin considerar su inclinación, conserva su cara
inferior en contacto con el fondo de la cámara de medición, por un lado mientras
que la cara superior esta en contacto con el techo de la misma, en el otro lado,
dividiendo de esta manera la cámara en dos compartimientos separados.
Un comportamiento esta en la parte superior izquierda mientras que el otro se
encuentra en la parte inferior derecha, de la cámara de medida; conforme continua
el movimiento del disco, los compartimientos se ven gradualmente transferidos;
después de media revolución el izquierdo superior se convierte en derecho inferior
y viceversa, el fluido entra por la lumbrera de admisión llenando los espacios de
encima y debajo del disco y su presión hace que el disco se mueva en forma
alternativa hasta salir por la lumbrera de escape.
C) MEDIDOR DE PISTÓN OSCILANTE:
Este instrumento se compone de una cámara de medida cilíndrica con una placa
divisora que separa los orificios de entrada y salida, la única parte móvil es un
pistón cilíndrico que oscila suavemente en un movimiento circular entre las dos
caras planas de la cámara, y esta provisto de una ranura que desliza en una placa
divisora fija, que hace de guía del movimiento oscilante; el eje del pistón al girar,
transmite su movimiento a un tren de engranes y a un contador.
El par disponible es elevado de modo que el instrumento puede accionar los
accesorios mecánicos que sean necesarios.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN
El liquido entra por la puerta A, mientras los espacios 2 y 4 están descargando por
la puerta B; en la segunda figura el pistón ha avanzado y el espacio 1 ha
aumentado; en la tercer figura, el espacio 1 sigue admitiendo liquido y el espacio 3
esta abriendo de nuevo a la puerta de entrada, mientras que los espacios 4 y 2
están descargado; en la cuarta figura el liquido se esta recibiendo en el espacio y
descargando del espacio 4, mientras que el 1 y 2 se han combinado y están por
empezar a descargar conforme el pistón se mueve hacia adelante para ocupar de
nuevo la posición de la primera figura para empezar un nuevo ciclo. El liquido
debe estar libre de aire o gas, para obtener una respuesta adecuada.
D) MEDIDOR ROTATIVO (LÓBULO):
Los medidores cicloidales para gas contienen dos lóbulos del tipo "root"
engranados entre si, que giran en direcciones opuestas, manteniendo una
posición fija y desplazando también un volumen fijo de fluido en cada revolución.
Su funcionamiento es relativamente sencillo. En la figura las flechas indican la
dirección del flujo de gas, conforme el gas fluye a través del cilindro medidor, hace
girar los dos rotores que están acoplados por dos pares de ruedas de engranes
montadas sobre sus ejes y situadas fuera de la cámara. El rotor de la derecha gira
en el sentido de las manecillas del reloj y esta a punto de atrapar un volumen
conocido de gas contra la carcaza. El rotor de la izquierda gira en sentido contrario
y esta descargando una cantidad igual de gas. Los rotores no se tocan entre ellos
pues tienen una separación aproximada de 0.0038 cm y una precisión del 1%.
E) MEDIDOR DE PISTÓN ALTERNATIVO:
El medidor de pistón alternativo del tipo pistón convencional es el mas antiguo de
los medidores de desplazamiento positivo. Este instrumento se fabrica en
diferentes modelos; con varios pistones, con pistones de doble acción, con
válvulas rotativas y válvulas deslizantes horizontales.
Estos instrumentos se utilizan en la industria petroquímica y pueden alcanzar una
precisión de 0.2 %, su capacidad es pequeña comparada con los tamaños de
otros medidores, tienen la particularidad de dar una perdida de carga alta y son
difíciles de reparar. Su funcionamiento es comparable a las bombas de pistón, con
la diferencia de que el instrumento es accionado por la presión diferencial de un
liquido y no por un motor.
F) MEDIDORES TIPO TURBINA:
La figura "Elemento Primario del Medidor de Flujo tipo Turbina" muestra una
turbina usada en la medición de flujo. El líquido que entra por un extremo de la
turbina choca con los alabes del rotor y los hace girar en el conjunto del eje. La
velocidad o velocidad tangencial es directamente proporcional a la velocidad del
flujo.
Cuando los alabes de la turbina, que son de acero, pasan por el captador o
detector, se generan pulsos de voltaje eléctrico. El detector es por lo general un
inductor de núcleo de ferrita pequeño activado desde el elemento secundario del
medidor. Cuando la turbina no esta girando, hay una pequeña comente circulando
por el circuito detector generando un voltaje atraves del inductor. Cuando la
turbina gira con el flujo, cada vez que uno de los alabes pasa por el detector,
cambia el circuito magnético del inductor (aumenta la inductancia) y hace que la
impedancia del inductor aumente.
Esto hace que la comente disminuya atraves del detector y aparece un aumento
abrupto de voltaje en el inductor. En otras palabras, al girar la turbina, produce
pulsos de voltaje que aparecen en el circuito detector.
El instrumento secundario condiciona y amplifica los pulsos de ondas cuadradas
relativamente amplias para cada pulso. Estas señales de salida de onda cuadrada
pueden dividirse electrónicamente para dar un pulso de salida por cada galón de
líquido que pasa por la turbina. Estos pulsos pueden activar contadores para dar
una lectura u operar un dispositivo de desconexión para control por carga. Si se
desea tener información del régimen instantáneo del flujo es necesario convertir la
frecuencia de los pulsos a un nivel de salida estable por medio de un transductor
de frecuencia a comente. La señal de convertidor de frecuencia a corriente
proporciona señal al registrador y controlador en el circuito de control de flujo.
Las limitaciones en el uso de los medidores de flujo a turbina radican en que el
caudal de líquido debe ser muy limpio (no sólidos) y el líquido debe tener cierta
lubridad o los cojines se desgastaran rápidamente.
Es buena practica instalar un filtro antes de la turbina para evitar que cualquier
solido atrapado en el líquido llegue hasta la turbina motriz.
G) PLACA DE ORIFICIO:
Es un disco de metal de alrededor de 1/16" a 1/4" de espesor. Usualmente tiene
un barreno en el centro al que se le denomina orificio. El disco tiene un tamaño del
que su diámetro exterior queda dentro de 2" entonces queda dentro del circulo de
tomillo de una brida normal. La figura "placa de orificio normal" muestra un dibujo
de la placa.
La placa puede tener un grueso de 1/4", la sección de medición de la placa no
debe ser mayor a 1/16".
El borde del orificio debe ser lo suficientemente agudo para que corte. Una prueba
de agudeza es pasar la uña del pulgar por el borde. SÍ está en punta, la uña de
deslizará por el borde sin raspar. También debe estar libre de rebabas y
geométricamente a escuadra. Esto significa centrado en el tubo y la placa debe
ser plana.
Los materiales de construcción para las placas de orificio son; acero, acero
inoxidable, bisel y vidrio. El acero inoxidable es el que se emplea con mayor
frecuencia.
El orificio parece actuar como un cuchillo circular el flujo del líquido cerca del tubo.
La porción central fluye con poca desviación si la velocidad del flujo se mantiene
razonable baja. Las altas velocidades ocasionan turbulencias que interfieren con la
medición. El flujo que pasa suavemente sin alteraciones recibe el nombre de "flujo
laminar". Este flujo significa flujo en películas delgadas. Cualquier incrustación en
la cara de la placa de orificio altera el flujo laminar y da como resultado lecturas
falsas. Especialmente afectan en la precisión de las muescas, rebabas y otras
irregularidades en el borde del filo del orificio que mira corriente arriba.
También puede utilizarse en la medición de gas o vapores condensables. Si se
van a medir gases y vapores condensables, el vapor tendera a condensarse y
acumularse en la placa de orificio. En tal caso de taladrarse un pequeño agujero
atraves de la placa dentro de la parte interna del tubo en el punto mas bajo. Este
hueco llamado de drenado permitirá que los líquidos continúen por el tubo. No
afecta a la precisión, actuando como un segundo orificio de medición y de hecho
permite a la placa de orificio medir con mayor eficiencia.
Si se miden líquidos que contienen gases no condensables, el orificio de drenado
debe estar hacia arriba. En esta posición los gases que tratan de acumularse en la
parte superior del líquido no se aglomeraran delante del orificio; en vez de ello,
pasaran atraves de una pequeña abertura.
Hay numerosos diseños de placas de orificios que se deben mencionar el orificio
segmentado, el orificio excéntrico, el orificio redondeado y el orificio avellanado.
Cada uno tiene una aplicación especifica y se muestran en la figura "diversos
diseños de placas de orificio".
Las placas de orificio segmentado se emplean en mediciones donde existen
sólidos atrapados en la corriente de gas o liquido. La parte circular de una
perforación se ubica en un circulo del 98% del diámetro del tubo. La abertura del
segmento puede situarse bien en la parte superior o inferior del tubo.
Las placas de orificio excéntricas se utilizan para la medición de flujos donde
existen sólidos atrapados en gases o líquidos y se fabrican con el orifico
excéntrico (opuestas a las concéntricas). El orificio excéntrico es normalmente
tangente a las paredes interiores del tubo, de manera que los sólidos y todos los
sedimentos puedan pasar atraves de el.
La placa de orifico redondeado esta diseñada especialmente para fluidos de alta
viscosidad tales como crudos pesados y combustoleos o lodos. La perforación es
un orificio con el borde de entrada redondeado.
El orificio avellanado es un método especial para limitar el grueso del borde de la
placa. En vez de Biselar los 45 normales, la placa se avellana al grueso del borde
deseado.
2.3
Sensores de Temperatura
TERMÓMETRO DE VIDRIO:
El termómetro de vidrio consta de un deposito de vidrio que contiene, por, ejemplo
mercurio y que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar.
Los margenes de trabajo de los fluidos empleado son:
Mercurio ................................................... -35 hasta + 280° c
Mercurio (tubo capilar lleno de gas)........ -35 hasta + 450° c
Pentano .................................................... -200 hasta + 20° c
Alcohol..................................................... -110 hasta + 20° c
Tolueno.................................................... -70 hasta + 100° c
C) TERMOMETRO BIMETÁLICO:
Los termómetros bitalico se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos
metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroniquel
o Invar (3.5 % de niquel ) laminados conjuntamente. Las laminas bimetálicas
pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices.
Un termómetro bitalico tipico contiene pocas partes móviles, solo la aguja
indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o de hélice y el propio elemento
bimetálico.
El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes y el conjunto esta construido
con precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un
mantenimiento. La precisión del instrumento es de mas menos 1 % y su campo de
medida de - 200 a + 500° c.
TERMOMETRO DE BULBO Y CAPILAR:
Los termómetros tipo bulbo consisten esencialmente en un tubo conectado por un
capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el liquido
en el bulbo se expanden y el espiral tiende a desenrrollarse moviendo la aguja
sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo.
Hay tres clases de este tipo de termómetros:
- Clase I : Termómetros actuados por liquido
- Clase II : Termómetros actuados por vapor
- Clase III: Termómetros actuados por gas
- Clase IV : Termómetros actuados por mercurio
Los termómetros actuados por liquido tienen el sistema de medición de liquido y
como se dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta
uniforme. El volumen del liquido depende principalmente de la temperatura del
bulbo, de la del capilar y de la del elemento de medición (temperatura ambiente)
.Por lo tanto, para capilares cortos hasta 5 m, solo hay que compensar el elemento
de medición para evitar errores debidos a variaciones de la temperatura ambiente
(clase IB). Para capilares mas largos hay que compensar también el volumen del
tubo capilar (clase IA). Los líquidos que se utiizan son: alcohol, éter.
TERMOPAR:
Formado por 2 alambres de diferente composición metalúrgica unidos por un
extremo. Al existir una diferencia en temperatura entre la junta caliente y la fría
genera una FEM al estar sometidos a una diferencia de temperatura.
La FEM del termopar depende de dos factores:
1. Del gradiente de temperatura
2. De la composición metalúrgica de los metales
Existen dos leyes que rigen el uso de termopares:
"Ley de las temperaturas intermedias"
La FEM generada por un solo termopar con su junta caliente a la temperatura de
medición y su junta fría a cero grados, es igual a la FEM generada por 2
tennopares, 1 con su junta fría a una temperatura de referencia y el otro con su
junta caliente a la temperatura referencia y su junta fría a cero grados.
"LEY DE LOS METALES INTERMEDIOS"
Establece que la introducción de un tercer metal dentro de un circuito
termoeléctrico, no tendrá efecto si a lo largo de las juntas del 3° metal con los
otros dos se mantienen a una temperatura constante.
2.4
Sensores de Nivel
FLOTADOR:
Se utiliza para medir nivel en tanque abiertos a la atmosfera. Se puede usar para
medir dos liquidos diferentes.
El flotador va conectado por medio de un cable a un contrapeso, que se mueve en
una escala graduada siguiendo las variaciones del nivel.
El flotador puede tener la forma de caja, pero puede hacerse tambien en cilindros
ciegos de aluminio amarrados en forma de balsa; y el el cable puede ser cinta
graduada que se enrrolla en la parte inferior de la escala.
También puede hacerse que el sistema mueva una flecha; y la indicación sea en
una escala redonda.
Este tipo de medidor de nivel, que se usa en gran escala en casi todos los tipos de
industria, debido a su gran precisión; se fabrica en gran numero de tipos;
incluyendo aquellos a prueba de explosión para líquidos.
d) VALVULAS DE PURGA:
Las valvulas de purga se instalan a distintos niveles en la pared del recipiente con
la finalidad de comprobar la altura aproximada del nivel del liquido contenido en un
recipiente.
e) TUBO DE VIDRIO:
Se utiliza para tanques cerrados a baja presión y opera bajo el principio de vasos
comunicantes.
Los diametros de los tubos son de 1/2". El tubo puede ser de cristal o de plastico
transparente. El liquido no debe estar a altas temperaturas por que el cristal no
soporta los shocks termicos, ni alta presión, ni golpes mecanicos.
No es recomendable para liquidos como el agua, ni liquidos viscosos.Existen otros
tipos de cristales para medir nivel llamados reflex y cristal plano. Son utilizados en
tanques presionados en donde la temperatura puede alcanzar hasta los 500 °C.
Esos cristales resisten a la presión y a la temperatura, estaqn construidos con un
material termico dado que son de silicato de barco. El cristal plano o liso se utiliza
para liquidos no transparentes. El liquido transparente dificulta la visualización del
nivel.
Cuando el liquido es transparente se recomienda utilizar el reflex dado que este
genera un sombreado, con los liquidos transparentes y estos son resistentes a los
golpes.
e-1) CONSIDERACIONES PRACTICAS:
Para poner en operacione un indicador de nivel (LG) es necesario tomar en
consideraciones lo siguiente: cuando el liquido que esta adentro del recipiente
tiene alta temperatura, deben abrirse las valvulas de bloqueo poco a poco.
Para que el cristal tome lentamente la temperaratura, de lo contrario existe el
peligro de que el cristal se quiebre debido al cambio brusco de temperatura, y si el
liquido es inflamable se corre el riesgo de provocar un incendio.
f) SWITCH TIPO FLOTADOR (PIERNA DE NIVEL):
En este instrumento ampliamente utilizado en la industria en la medición de nivel
en tanques cerrados o abiertos, su solida construcción le permite soportar altas
temperaturas: consta de un flotador sujeto a una varilla que se desplaza
libremente dentro de un tubo guia hermeticamente sellado, dicho tubo guia no es
suceptible a la atracción magnética, la varilla del flotador si lo es, el tubo guia sirve
de soporte al mecanismo del switch, el cual esta constituido por una capsula que
contiene mercurio y tres terminales electricas, la capsula se sujeta a un iman por
medio e un pivote y resorte de tensión.
f-1) PRINCIPIO DE OPERACIÓN:
En operación normal el manguito del flotador es atraido por el iman manteniendo
fija la posición de la capsula, y al resorte de tensión estirado cuando el niveldel
liquido desciende el flotador baja, haciendo que el menguito magnético se alege
del campo de acción del imán recuperando el resorte de tensión su posición
original provocando por lo tanto un cambio de posición de la capsula en este caso
el arreglo es para bajo nivel, para alto sucede lo contrario.
El switch tipo flotador se utiliza como dispositivo de alarma o disparo para sacar o
poner en operación a una bomba.
Requiere poco manteniemiento, ya que cuando la capsula se rompen o se
deterioran sus terminales es facil de reponer por lo demas solo requiere una
inspección periodica.
g)MEDIDOR DEL TIPO HIDROSTATICO:
Muchos de los sistemas de medición de nivel de liquidos operan bajo el principio
de medir la carga hidrostatica.
La carga hidrostatica se define: Como el peso del liquido que existe arriba de un
plano de referncia, se expresan en unidades tales como: Libras por pulgada
cuadrada(lb/plg2), kilogramo por centimeto cuadrado(Kg/cm2), la carga es una
fuerza real debida al peso del liquido y se ejerce de igual manera en todas
direccioness, es independiente del volumen del liquido que se mide y de la forma
del recipiente.
Entre los sistemas mas usuales para la medión de altura hidrostatica tenemos los
siguientes:
1.- Sistemas de burbjeo.
2.- Sistemas de presión diferencial.
3.- Sistemas de fuerza balanceada.
h) METODO DE BURBUJEO:
Consiste en un tubo que se introduce en el recipiente hasta las lineas de
referencia donde se desea medir el nivel, por el cual se hace pasar aire por medio
de un rotametro con un regulador. En el arreglo se coloca una valvula reguladora
de presión.
En este tipo de medidor se mide la carga hidrostatica mediante la contrapresión
originada por el tubo con el burbujeo de aire por el fondo.
La presión del aire por la tuberia equivale a la presión hidrostatica ejercida por la
columna del líquido, es decir, el nivel.
I) SISTEMA DE PRESIÓN DIFERENCIAL:
El sistema es muy utilizado en la industria, ya que tiene una muy amplia aplicación
en la medición de nivel, tanto en recipientes abiertos a la atmosfera como en
tanques cerrados o presurizados.
Su principio de operación esta basado en la comparación de la presión entre dos
puntos tomados como referencia y situados a distintas alturas o niveles.
Un punto se toma como referencia en la parte superior del recipiente y se
denomina toma de baja presión o referencia máxima de nivel, el otro punto es
tomado de la parte inferior del recipiente y se denomina toma de alta presión o
refemcia minima de nivel, una vez conocidas estas dos referencias y la densidad
del fluido a medir, se puede calcular la latura o nivel entre dos opuntos aplicando
la siguiente ecuación:
H = P2 - Pl/ D = P(inferior) - P(superior)/DENSIDAD
donde:
H = altura de nivel
P2 = altura mínima (alta presión)
Pl = altura máxima (baja presión)
D = densidad del liquido
Un tipo de medidor en el sistema de presión diferencial esta representado en el
principio del tubo en "U" por medio del cual se mide la diferencia de presión entre
la parte inferior y superior del recipiente, esta diferencia de presión representa el
nivel del liquido que se mide.
2.5
Sensores para otras variables físicas: peso, velocidad, conductividad, luz,
PH, otros
2.6 Criterios para la Selección de un sensor
Para seleccionar un sensor adecuado es necesario tomar en cuenta las siguientes
condiciones:
 Material de fabricación. El material con el cual se encuentra desarrollado un
instrumento medición determinara desde la sensibilidad, medio en donde
puede trabajarse (seco,humedo,con vapores toxicos,etc), hasta la
temperatura en la cual desempeñan su trabajo con efectividad.
De esta forma, un temopar desarrollado con tungsteno y renio se recomiendan
para temperatura máximas de 4000°F usándolos con tubos protectores y
aisladores de óxido de berilio. Se recomienda para atmósferas inertes,
reductores o vacío, ya que el oxígeno destruye el termopar desarrollado con
este elemento. A diferencia del fabricado con iridio y rodio que solo permite una
temperatura máxima de 3600°F, preferido en atmósferas oxidantes
conteniendo azufre libre.
 Principio de operación, existe una gran variedad de metodo de medición
para cada variable, por ejemplo en un lugar donde se desea medir la
temperatura se pueden usar Reglas Graduadas, Flotadores, Válvula de
Purga, etc. Dependiendo del material y las condiciones de la medición
3.1 Tipos de actuadores: Eléctricos, Neumáticos e Hidráulicos.
3.2 Tipos de válvulas de control.
Las válvulas accionadas por medio de un actuador que responda a una señal
exterior han sido ideadas para controlador flujos de fluidos en tuberías
La selección de medición y control de procesos del SAMA (Scientific Apparatus
Makers Associaton) define las válvulas de control como: una válvula con una
actuador neumático, hidráulico, eléctrico (exceptuando solenoides) u otro
externamente energizado, que automáticamente abre o cierra total o parcialmente
la válvula a una posición dictada por las señales transmitidas desde unos
instrumentos de control.
El diseño más común es el que tiene un actuador neumática de diafragma con
resorte opuesto, y este tipo de válvula en la que se tratará en el presente capítulo.
Esta váuvla es activada por un instrumento o controlador piloto, el que usa aire o
gas como medio impulsor. Por tanto, la acción de la válula podrá ser de apertura,
de oclusión o de strangulación. Su funcionamiento es gobernado por los cambios
de presión en el instrumento, en respuesta a las alteraciones que hubiere en el
sistema que se está controlando. El sistema que se regula podrá ser de presión,
del nivel de liquido, de temperatura o de flujo, etc.
Se estudiará a continuación la vávula automática de diafragma que es que recibe
la señal controlada enviada por el controlador.
Como ya se dijo antes, esta válvula utiliza la fuerza desarrollada por la presión que
actúa sobre un diafragma
3.3 Tipos de pistones
El tema de esta seccion es muy interesentante puesto que con este componente se
puede modificar un motor tipo I, con relativo bajo presupuesto obteniendo grandes
beneficios.
Este componente es de los que más sufre desgaste en un motor por su gran actividad
Los pistones tienen 3 ranuras en las cuales se instalan un anillo especifico en cada una.
Los anillos superiores actúan para evitar que la fuerza de la explosión de la mezcla escape a través de la
holgura entre el piston y las paredes del cilindro hacia dentro del motor, evitando perdida de potencia.
Los ultimos son los aniillos de aceite, los cuales actúan para evitar que el aceite del motor se pase a la camara
de combustión contaminando la mezcla y emitiendo humo blanco por el escape.
Cuando un anillo sufre desgaste deja de efectuar en menor o mayor medida su función, para solucionar esto hay
que cambiarlos por unos nuevos, si este es tu caso te recomendamos cambiar todo el conjunto de pistones por
uno nuevo, no es costoso y obtienes mejores beneficios.
Los pistones se sujetan a la biela por medio de un perno y éste a su
vez se sujeta con unos seguros métalicos, en motores de alto
rendimiento es recomendable substituirlos por unos "Teflones" porque
el seguro original se puede llegar a zafar causando daños irreparables
a la camisa o cilindro del pistón.
De acuerdo a la medida del piston varia el
tamaño del perno por eso.existe un tipo de
teflon específico para los diferentes pistones.
Recordemos que para obtener el dato de la cilindrada de un motor es:
Cilindrada= Pistón x Pistón x Carrera x 0.0031416 Ej. 85.5 x 85.5 x 69 x 0.0031416 = 1,584.64 cc
Los motores Originales 1,600 cc, vienen configurados con pistones de 85.5 mm, básicamente hay 3 tipos
1.- PIstones 85.5 normales o con
cazuela
2.- Pistones 85.5 planos
3.- Pistones 85.5 de Injeccón Electronica
En general son iguales pero con la variación en la parte superior, cuando se instalan en su posición original
con respecto al cilindro, reducen el espacio en la camara de combustión, aumentando ligeramente la relación de
compresión , lo cual aumenta la potencia del motor.
Cuando aumentamos el diametro del pistón original (85.5mm)
instalando uno más grande obtendremos más cilindrada y
mucho más potencia, solo tenemos que modificar las cabezas y
el block como veremos más adelante.
En la imagen de la derecha se puede apreciar la diferencia del
diámetro.
Los pistones generalmente estan marcados con su diámetro en
la parte superior.
Si tomamos en cuenta que el cigueñal es el original 69mm, con el aumento del pistón quedaria asi:
Pistón
Cilindrada
85.5 mm.
1,585cc
87 mm.
1,641cc
88 mm.
1,679cc
90 mm.
1,756cc
90.5 mm.
1,775cc
92 mm.
1,835cc
94 mm.
1,915cc
Para instalar pistones de 88 mm en adelante hay que modificar el mono block asi como las cabezas abriendolas
a la medida exterior correspondiente a la camisa de cada medida de pistón. El pistón más grande que se le
puede instalar a un block original son los de 94mm.
Esto se tiene que realizar con maquinaria especial para evitar fugas.
Block original para pistón 85.5 mm
Block abierto para pistón 92mm
Cabeza original para pistón 85.5 mm
Cabeza abierta para pistón 94mm ( y válvulas grandes)
Medidas del Diametro de Maquinado para algunos Cilindros
Tamaño del Pistón
Block Diametro
Cabeza Diametro
88mm
90.5.mm
94mm
94.5mm
96mm
97.25mm
97mm
98mm
101.1mm
El Deck del Pistón.
Esta medida es necesaria para poder obtener el dato de la
relación de compresión de un motor.
Básicamente consiste en la distancia del piston en la parte
mas alta de su carrera en relación a la parte superior del
cilindro.
La medida minima es de 1 mm , Esta medida la tiene que
calcular la parsona que va a preparar el motor y varia de
acuerdo al rebajado de cabezas y lo que cubique la cabeza
(ver sección de cabezas). Para poder aumentar esta distancia
se tienen que instalar aumentos en la parte inferior del cilindro
o rebajarla para disminuirla.
En la imagen de la izquierda se señala el
lugar sonde se rebaja o se instalan los
aumentos, hay que recordar que estas
medidas varian en solo milesimas.
En la imagen de la derecha se presenta la
manera de medir el deck, con el cilindro
instalado en el block, con un micrómetro
lineal.
Si se instala un gasket ó anillo de bronce para mejorar el sello del cilindro con la cabeza, hay que contemplar el
grosor del mismo (y su capacidad de compactación al apretar la cabeza), para calcular correctamente el deck y
por lo mismo la relación de compresión..
Cuando el deck es muy reducido y de acuerdo al levante del árbol
se tiene que modificar el pistón, haciendole unas ranuras llamadas
"Fly Cuts" para que el pistón no golpee con las válvulas.
Al realizar este tipo de trabajo hay que cubicar las ranuras, para
calcular la camara de combustión y que cubique en la medida
deseada.
Cuando el cigueñal es de carrera más larga
los pistones disminuyen en su alto en relación
al perno, como se puede apreciar en la
imagen de la derecha.
Pistón para cigueñal de carrera larga
PIston para 69mm
3.4 Otro tipo de actuadotes
Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de
líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un
regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento
final de control como lo son las válvulas.
Existen tres tipos de actuadores:


Hidráulicos
Neumáticos

Eléctricos
Los actuadores hidráulicos, neumáticos eléctricos son usados pera manejar
aparatos mecatronicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean
cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples
posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para
suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las
aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de
vista de precisión y mantenimiento.
Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos
mecatronicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin
escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso
debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento
Por todo esto es necesario conocer muy bien las características de cada actuador
para utilizarlos correctamente de acuerdo a su aplicación especifica
Actuadores hidráulicos
Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser
clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a
presión. Existen tres grandes grupos:
1. cilindro hidráulico
2. motor hidráulico
3. motor hidráulico de oscilación
1. Cilindro hidráulico
De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos:
de Efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica
para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo tipo se
emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones. El control de dirección
se lleva a cabo mediante un solenoide que se muestra a continuación
En el interior poseen un resorte que cambia su constante elástica con el paso de
la corriente. Es decir, si circula corriente por el pistón eléctrico este puede ser
extendido fácilmente.
Cilindro de presión dinámica
Lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo general son
bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro.
Cilindro de Efecto simple.
La barra esta solo en uno de los extremos del pistón, el cual se contrae mediante
resortes o por la misma gravedad. La carga puede colocarse solo en un extremo
del cilindro.
Cilindro de Efecto doble.
La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un
impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón
Cilindro telescópico.
La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va
aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente
en comparación con la longitud del cilindro
2. Motor hidráulico
En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión.
Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupo: El primero es uno de
tipo rotatorio en el que los engranes son accionados directamente por aceite a
presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la
acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a
su mayor eficiencia. A continuación se muestra la clasificación de este tipo de
motores
Tipo Rotatiorio
Motor de engranaje
Motor de Veleta
Motor de Hélice
Motor Hidráulico
Motor de Leva excéntrica
Pistón Axial
Tipo Oscilante
Motor con eje inclinado
Motor de Engranaje.
El aceite a presión fluye desde la entrada que actúa sobre la cara dentada de
cada engranaje generando torque en la dirección de la flecha. La estructura del
motor es simple, por lo que es muy recomendable su uso en operaciones a alta
velocidad.
Salida de Aceite
a presión
Eje de Salida
Entrada de aceite a
presión
Motor con pistón eje inclinado
EL aceite a presión que fluye desde la entrada empuja el pistón contra la brida y
la fuerza resultante en la dirección radial hace que el eje y el bloque del cilindro
giren en la dirección de la flecha. Este tipo de motor es muy conveniente para
usos a alta presión y a alta velocidad. Es posible modificar su capacidad al
cambiar el ángulo de inclinación del eje.
Motor oscilante con pistón axial
Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y
devolverlo al circuito en el momento que éste lo precise.
Actuadores Neumáticos
A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo
mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son
idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este
caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se
refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad.
En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire
comprimido y también los músculos artificiales de hule, que últimamente han
recibido mucha atención.
De Efecto simple
Cilindro Neumático
Actuador Neumático
De efecto Doble
Con engranaje
Motor Neumático
Con Veleta
Con pistón
Con una veleta a la vez
Multiveleta
Motor Rotatorio
Con pistón
De ranura Vertical
De émbolo
Fuelles, Diafragma y músculo artificial
Cilindro de Simple Efecto
Cremallera
Transforman un movimiento lineal en un movimiento rotacional y no
superan los 360°
Rotativos de Paletas
Son elemento motrices destinados a proporcionar un giro limitado en
un eje de salida. La presión del aire actúa directamente sobre una o
dos palas imprimiendo un movimiento de giro. Estos no superan los
270° y los de paleta doble no superan los 90°.
3.5 Criterios para la Selección de un actuador
Verificar que las partes sean las adecuadas para la labor que se va a realizar, así
como el material de elaboración.
1 SISTEMA DE "LLAVE DE SEGURIDAD" : Este método de llave de seguridad para la
retención de las tapas del actuador, usa una cinta cilíndrica flexible de acero inoxidable en una
ranura de deslizamiento labrada a máquina. Esto elimina la concentración de esfuerzos causados
por cargas centradas en los tornillos de las tapas y helicoils. Las Llaves de Seguridad incrementan
de gran forma la fuerza del ensamblado del actuador y proveen un cierre de seguridad contra
desacoplamientos peligrosos.
2 PIÑÓN CON RANURA: Esta ranura en la parte superior del piñón provee una transmisión
autocentrante, directa para indicadores de posición e interruptores de posición, eliminando el uso
de bridas de acoplamiento. (Bajo la norma Namur).
3 COJINETES DE EMPALME: Estos cojinetes de empalme barrenados y enroscados sirven
para simplificar el acoplamiento de accesorios a montar en la parte superior. (Bajo normas ISO
5211 Y VDI).
5 PASE DE AIRE GRANDE: Los conductos internos para el pasaje de aire extra grandes
permiten una operación rápida y evita el bloqueo de los mismos.
6 MUÑONERAS: Una muñonera de nuevo diseño y de máxima duración, permanentemente
lubricada, resistente a la corrosión y de fácil reemplazo, extiende la vida del actuador en las
aplicaciones más severas.
4.1 Aplicaciones de Sistemas de Lazo Abierto y Lazo Cerrado
1.
TERMINOLOGÍA Y SIMBOLOGIA EN INGENIERIA DE CONTROL.
La planeación, diseño y puesta a punto de sistemas de control requiere una clara comunicación entre las partes
involucradas. Por ello es importante entender los términos y símbolos empleados en dichos sistemas de control.
1.1.
Terminología en Ingeniería de Control.
Para mantener una cantidad física, como la presión, el flujo o la temperatura a un nivel deseado durante un proceso
se puede emplear tanto un control de lazo abierto como de lazo cerrado.
1.1.1.
Lazo de control abierto.
Los sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control, se denominan sistemas de
control de lazo abierto. En otras palabras, en un sistema de control de lazo abierto la salida ni se mide ni se
retroalimenta para compararla con la entrada. Un ejemplo práctico lo constituye una lavadora de ropa doméstica. El
remojo, lavado y enjuague en la lavadora se cumplen por tiempos. La máquina no mide la señal de salida, es decir,
la limpieza de la ropa.
En cualquier sistema de control de lazo abierto, no se compara la salida con la entrada de referencia. Por tanto,
para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema depende
de la calibración. En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no cumple su función
asignada. En la práctica el control de lazo abierto sólo se puede utilizar si la relación entre la entrada y la salida es
conocida, y si no se presentan perturbaciones tanto internas como externas. Desde luego, tales sistemas no son
sistemas de control retroalimentado. Nótese que cualquier sistema de control que funciona sobre una base de
tiempos, es un sistema de lazo abierto. Por ejemplo, el control de tráfico con señales accionadas en función de
tiempos, es otro caso de control de lazo abierto.
Ilustración 1 Lazo de control abierto
La tarea del operador ilustrado en la ilustración 1 es la de ajustar la presión (p2) en una tubería por medio de una
válvula de control. Para este propósito, el utiliza un valor asignado que determina una cierta señal de control (y)
surgida de un ajustador remoto para cada set point (w). Dado que este método de control no considera posibles
fluctuaciones en el flujo; el es recomendado únicamente en sistemas donde las perturbaciones no afecten la
variable de control.
1.1.2.
Lazo de control cerrado.
En un sistema de lazo de control cerrado, la variable ha ser controlada (Variable controlada x) es continuamente
medida y así comparada con un valor predeterminado (Variable de referencia w). Si existe una diferencia entre
estas dos variables (error e o desviación del sistema xw), ajustes son realizados hasta que la diferencia cuantificada
es eliminada y la variable controlada iguala la variable de referencia.
Con frecuencia se llama así a los sistemas de control retroalimentado. En la práctica, se utiliza indistintamente la
denominación control retroalimentado o control de lazo cerrado. La señal de error actuante, que es la diferencia
entre la señal de entrada y la de retroalimentación (que puede ser la señal de salida o una función de la señal de
salida y sus derivadas), entra la controlador para reducir el error y llevar la salida des sistema a un valor deseado.
El término lazo cerrado implica siempre el uso de la acción de control retroalimentado para reducir el error del
sistema.
Ilustración 2 Lazo de control cerrado
El bosquejo del operador de la ilustración 2 monitorea la presión p2 en una tubería para la cual diferentes
consumidores están conectados. Cuando se incrementa el consumo, la presión en la tubería decrece. El operador
reconoce que la presión cae y cambia la presión de control de la válvula de control neumática hasta que la presión
deseada p2 es alcanzada de nuevo. A través del monitoreo de la presión y la inmediata reacción, el operador
asegura que la presión es mantenida al nivel deseado.
Una ventaja del sistema de control de lazo cerrado es que el uso de la retroalimentación hace que la respuesta del
sistema sea relativamente insensible a perturbaciones externas y a variaciones internas de parámetros del sistema.
De este modo, es posible utilizar componentes relativamente imprecisos y económicos, y lograr la exactitud de
control requerida en determinada plnata, cosa que sería imposible en un control de lazo abierto.
Desde el punto de vista de la estabilidad, en el sistema de control de lazo abierto, esta es más fácil de lograr, ya
que en él la estabilidad no constituye un problema importante. En cambio, en los sistemas de lazo de control
cerrado, la estabilidad si es un problema importante, por su tendencia a sobre corregir errores que pueden producir
oscilaciones de amplitud constante o variable.
Hay que puntualizar que para sistemas cuyas entradas son conocidas previamente y en los que no hay
perturbaciones, es preferible utilizar el control de lazo abierto. Los sistemas de control de lazo cerrado tienen
ventajas solamente si se presentan perturbaciones no previsibles y/o variaciones imprevisibles de componentes del
sistema. Nótese que la potencia de salida determina parcialmente el costo, peso y tamaño de un sistema de control.
La cantidad de componentes utilizados en un sistema de control de lazo cerrado es mayor a la correspondiente a un
sistema de control de lazo abierto. Así, entonces, un sistema de control de lazo cerrado es generalmente de mayor
costo y potencia.
4.2 Modos de Control aplicados en instrumentación:
4.2.1 On-Off
Acción de Dos Posiciones On - Off ó Interruptor
En un sistema de control de dos posiciones, el elemento accionador tiene
solamente dos posiciones fijas, que en muchos casos son simplemente conectado
y desconectado. El control de dos posiciones o de On - Off es relativamente
simple y económico, y por esta razón, ampliamente utilizado en sistemas de
control tanto industriales como domésticos. Sea la señal de salida del control (mt)
y la señal de error actuante e(t). En un control de dos posiciones, la señal m(t)
permanece en un valor máximo o mínimo, según que la señal de error actuante
sea positiva o negativa, de modo que:
M(t) = M1 para e(t) > 0 ; M(t) = M2 para e(t) < 0
Los controles de dos posiciones son generalmente dispositivos eléctricos, donde
habitualmente ha una válvula accionada por un delenoide eléctrico. El rango en el
que se debe desplazar la señal de error actuante antes de que produzca la
conmutación se llama brecha diferencial. La brecha diferencial hace que la salida
de control mantenga su valor hasta que la señal de error actuante haya pasado
levemente del valor cero. Se puede reducir la amplitud de la oscilación de salida
reduciendo la brecha diferencial. Hay que determinar el valor de la brecha
diferencial por consideraciones de exactitud deseada y duración de los
componentes.
4.2.2 Proporcional
Acción de Control Proporcional (P)
En el control proporcional (P), la señal de error control es proporcional a la señal
de error. Aparentemente es un control muy eficaz (de hecho es ampliamente
utilizado) pero su concepción es muy pobre pues necesita la presencia del error
para actuar.
Es pues un "Un Control Actual" en el sentido de que su acción depende del valor
actual del error en cada instante. Cualquiera que sea el mecanismo en sí y sea
cual fuere la potencia que lo alimenta, el control proporcional esencialmente es un
amplificador con ganancia ajustable.
Para un control de acción proporcional, la relación entre la salida del control m(t) y
la señal de error actuante e(t) es:
M(t) = Kp e(t)
O, en magnitudes transformadas de Laplace.
M(s) / E (s) = Kp
4.2.3 Proporcional + Integral
Acción de Control Proporcional Integral (PI)
La acción de control proporcional e integral queda definida por la siguiente
ecuación:
Donde: Kp representa la sensibilidad proporcional o ganancia y Tu es el tiempo
integral (ambas son regulables). O la función de transferencia del control es:
El tiempo integral regula la acción de control integral, mientras una modificación en
Kp afecta tanto la parte integral como a la proporcional de la acción de control. A
la inversa de Ti se le llama frecuencia de reposición que el número de veces por
minuto que se duplica la parte proporcional de la acción de control.
La señal de control obtenida esta retardada respecto de la señal de error por lo
que el control PI (Proporciona de integral) se le denomina control en "Retardo de
Fase".
Este retardo supone que, cuando el error es cero la acción de control todavía no
es nula; y con ello si hay una perturbación actuante sobre el sistema o si la
entrada tiene una dependencia temporal elevada, la acción de control presente
nos puede anular el efecto en las mismas , mejorando la precisión del servo. Por
el contrario, si el supuesto anterior no se da, la acción de control existente nos
sacará al sistema de su posición de equilibrio, con lo que la acción cambia de
signo y de una forma sucesiva se producen oscilaciones en el servosistema.
4.2.4 Proporcional + Integral + derivativo
Acción de Control Proporcional Integro - Diferencial (PID)
También llamada de control trimodal, consiste en utilizar simultáneamente las tres
acciones elementales de control (proporcional, integral, diferencial).
La acción de este control es "La suma de funciones de control ya analizadas", es
pues, un control de adelanto - retardo en el que la acción derivada nos mejora la
respuesta transitoria y la acción integral nos mejora la respuesta estacionaria. Esto
justifica el que sea el tipo de control mas usado en la práctica. Máxima cuando de
él se pueden obtener los controles P, PD y PI anteriores sin más que anular el
valor de la K sobrante, lo que supone una notable ventaja a la hora de normalizar
el diseño del equipo de control de una planta industrial. La ecuación de un control
con esta acción de control combinada esta dada por:
O la función transferencia es:
Donde: Kp es sensibilidad proporcional, Td es tiempo derivativo y Ti es tiempo
integral
4.3 Criterios para la Selección de un controlador
El término acción de control se refiere a la manera en la que la señal actuante es
empleada por los elementos del control des sistema para lograr una corrección, es
decir, la forma en que el regulador se un servosistema genera la señal de control a
partir de la señal de error.
En todo servosistema (sistema de control de lazo cerrado) la entrada efectiva de la
misma la constituye la señal de error, dicha señal de error se lleva sobre el
regulador del sistema, generando la señal de control que actúa sobre el 0proceso
tendiendo a minimizar el error.
Se llama acción de control del servomecanismo a la forma en que se el regulador
del mismo genera la señal de control a partir de la señal de error; representa pues,
la relación existente entre ambas señales.
Lógicamente existen infinitas formas matemáticas de acción de control, pero de
todas ellas solo unas pocas son urables físicamente, el sentido d poder ser
materializadas en el regulador de modo simple. De estas últimas las mas
utilizadas en el sistema de control existente reciben el nombre de básicas (el
comportamiento y las respuestas de estas áreas del control, esta tomada como
entrada, las 3 funciones básicas que son rampa, impulso y escalón). Son
prescindiendo del tipo todo o nada por su no linealidad, los controles resultantes
de la combinación de los tipos elementales proporcional derivativa o integral.
En conclusión el control proporcional es el único utilizable directamente pero de
concepción muy pobre. Los controles derivativo e integral interesan por su
filosofía, pero no son utilizables directamente. Se impone una combinación de
ellos con el primero, a fin de hacerlos viables, quedan así, como acciones básicas
de control: control proporcional, derivativa, integral y proporcional integral
diferencial.
4.4 Sintonización de Controles
Existen varios sistemas para ajustar los controladores al proceso, es decir, para
que la banda proporcional (ganancia), el tiempo de acción integral (minutos/repetición) y el tiempo de acción derivada (minutos de anticipo) del controlador, caso
de que posea las tres acciones, se acoplen adecuadamente con el resto de los
elementos del bucle de control &127 proceso + transmisor + válvula de control
&127.
Este acoplamiento debe ser tal que, ante una perturbación, se obtenga una curva
de recuperación que satisfaga cualquiera de los criterios mencionados para que el
control sea estable, en particular, el de área mínima con una relación de
amortiguación de 0,25 entre crestas sucesivas de la onda.
Para que este acoplamiento entre el controlador y el proceso sea posible es
necesario un conocimiento inicial de las características estáticas y dinámicas del
sistema controlado. Existen dos métodos fundamentales para determinar estas
características, el método analítico y el experimental.
El método analítico se basa en determinar el modelo o ecuación relativa a la
dinámica del sistema, es decir, su evolución en función del tiempo. Este método es
generalmente difícil de aplicar por la complejidad de los procesos industriales y se
incorpora a los controladores digitales y al control distribuido, que disponen de la
potencia de cálculo adecuada en la determinación de la identificación del proceso
y de los parámetros del modelo.
En el método experimental, las características estáticas y dinámicas del proceso
se obtienen a partir de una medida o de una serie de medidas realizadas en el
proceso real. Estas respuestas del proceso pueden efectuarse de tres formas
principales.
1. Método de tanteo (lazo cerrado)
2. Método de ganancia límite (lazo cerrado)
3. Método de curva de reacción (lazo abierto)
Otros métodos de ajuste que describiremos más adelante y que se pueden
ejecutar automáticamente, son el de Nishikawa y otros, el de Chindambara y el de
Kraus y Myron, existiendo una búsqueda constante de nuevos métodos gracias al
uso amplio del ordenador que permite el análisis del proceso y el ensayo en
tiempo real de los valores de las acciones de control.
Método de tanteo. Este método requiere que el controlador y el proceso estén
instalados completamente y trabajando en su forma normal. El procedimiento
general se basa en poner en marcha el proceso con bandas anchas en todas las
acciones, y estrecharlas después poco a poco individualmente, hasta obtener la
estabilidad deseada.
Para provocar cambios de carga en el proceso, y observar sus reacciones, se
mueve el punto de consigna arriba y abajo en ambas direcciones, lo suficiente
para lograr una perturbación considerable, pero no demasiado grande que pueda
dañar el producto, perjudicar la marcha de la planta o bien crear perturbaciones
intolerables en los procesos asociados.
526
Es necesario que pase un tiempo suficiente después de cada desplazamiento del
punto de consigna, para observar el efecto total del último ajuste obteniendo
algunos ciclos de la respuesta ante la perturbación creada. En procesos muy
lentos ello puede requerir hasta 2 o 3 horas.
Para ajustar los controladores proporcionales, se empieza con una banda
proporcional ancha y se estrecha gradualmente observando el comportamiento del
sistema hasta obtener la estabilidad deseada. Hay que hacer notar que al
estrechar la banda proporcional, aumenta la inestabilidad y que al ampliarla se
incrementa el error de offset, tal como se ve en la figura
Fig. Ajuste de banda proporcional.
Para ajustar los controladores con banda P + /, se procede del siguiente modo:
Con la banda integral O, o en su valor más bajo, se sigue el procedimiento
descrito anteriormente para obtener el ajuste de la banda proporcional hasta una
relación de amortiguamiento aproximado de 0,25. Como la acción integral
empeora el control y al poseerla el instrumento, su banda proporcional debe ser un
poco más alta (menor ganancia del controlador), se aumenta ligeramente la banda
proporcional y a continuación se incrementa por pasos la banda integral, creando
al mismo tiempo perturbaciones en forma de desplazamientos del punto de
consigna, hasta que empiecen a aumentar los ciclos. La última banda ensayada
se reduce ligeramente. En la figura que a continuación se ve, pueden verse unas
curvas características de recuperación.
Un controlador PI bien ajustado lleva la variable al punto de consigna rápidamente
y con pocos ciclos sin que éstos rebasen o bajen del punto de consigna según
haya sido el signo de la perturbación.
Al ajustar los controladores P + / + D, se procede del siguiente modo:
Con la banda derivada e integral a O, o al mínimo, se estrecha la banda
proporcional hasta obtener una relación de amortiguamiento de 0,25.
Fig. Ajuste de banda integral.
Se aumenta lentamente la banda integral en la forma indicada anteriormente hasta
acercarse al punto de inestabilidad.
Se aumenta la banda derivativa en pequeños incrementos, creando al mismo
tiempo desplazamientos del punto de consigna hasta obtener en el proceso un
comportamiento cíclico, reduciendo ligeramente la última banda derivada.
Después de estos ajustes, puede estrecharse normalmente la banda proporcional
con mejores resultados en el control.
Hay que señalar que una acción derivada óptima después de una perturbación
lleva la variable a la estabilización en muy pocos ciclos.
En otra forma de ajuste, para obtener una óptima banda derivada se trabaja
primero con una banda proporcional que da lugar a una ligera oscilación (varios
ciclos) ante una perturbación, con la acción integral reducida al mínimo. Se
aumenta a continuación la acción derivada hasta eliminar el ciclo de la
proporcional. Se estrecha de nuevo la acción proporcional hasta que los ciclos se
inician, y se aumenta todavía mas la banda derivada hasta eliminarlos,
continuando con estos pasos hasta que el aumento de la acción derivada no
mejore la eliminación de los ciclos
producidos. Finalmente se ajusta la acción integral en la forma descrita
anteriormente para eliminar el offset.
En la figura b, se representan unas curvas características de recuperación. Si los
ajustes efectuados son excesivos, pueden obtenerse las oscilaciones:
&127 Oscilación proporcional.
&127Oscilación integral.
&127Oscilación derivada.
Para distinguirlas, se observan las siguientes reglas:
a) La oscilación integral tiene un periodo relativamente largo (fig. b);
b) La oscilación proporcional tiene un período relativamente moderado (figura a);
Fig. (b) Ajuste de banda derivada.
c) La oscilación derivada tiene un período muy largo y la variable larda bastante
tiempo en estabilizarse (fíg. b).
Pueden emplearse también otros criterios de ajuste. Estos criterios están basados
en la respuesta del lazo de control (abierto o cerrado) a las entradas en escalón, o
a las propias perturbaciones del proceso. Incluyen el tiempo de subida (tiempo
requerido para que la respuesta a una entrada en escalón alcance del 10 al 90 %
del valor final), el tiempo de pico (tiempo que transcurre desde que la variable
cruza el valor final hasta que alcanza su primer valor máximo o pico), el tiempo de
restablecimiento (tiempo requerido para que la respuesta alcance y se mantenga
dentro del 10 al 90 % del valor final), la relación de amortiguación entre picos de la
variable de proceso, la integral del error al cuadrado (ISE), la integral del error
absoluto (IAE) y la integral del tiempo y del error absoluto (ITAE).
Método de ganancia limite. Este método de lazo cerrado fue desarrollado por
Ziegler y Nichols, en 1941 y permite calcular los tres términos de ajuste del
controlador a partir de los datos obtenidos en una prueba rápida de características
del bucle cerrado de control. El método se basa en estrechar gradualmente la
banda proporcional con los ajustes de integral y derivada en su valor más bajo,
mientras se crean pequeños cambios en el punto de consigna, hasta que el
proceso empieza a oscilar de modo continuo (fig. 9.41).
Esta banda proporcional se denomina «banda proporcional límite» (PBU), se
anota el período del ciclo de las oscilaciones Pu en minutos, y la última banda
proporcional PBa. Los ajustes de control que producirán aproximadamente una
respuesta con una relación de amplitudes 0,25, se calculan como sigue:
&127 Controladores de banda proporcional:
1. Banda proporcional (%) = 2 Pbu
Fig. Oscilación mantenida (sensibilidad limite).
&127 Controladores con banda P + I:
2. Banda proporcional (%)=2,2 PBu
Banda integral (min/rep) = Pu
1,2
&127 Controladores con banda P + I + D:
3. Banda proporcional (%) == 1,7 PBu
Banda integral (min/rep) = Pu
2
Banda derivada (min) = Pu
8
Una variante del método de ganancia límite es el método de mínimo rebasamiento
del punto de consigna. Una vez obtenida la oscilación automantenida de período
Pu en minutos para una banda proporcional límite (PBU), las acciones de control
son:
Banda proporcional (%) = 1,25 PBu
Acción integral (min/rep) = 0,6 Pu
Acción derivada (min) = 0,19 Pu
Método de curva de reacción. En este método de lazo abierto, el procedimiento
general consiste en abrir el bucle cerrado de regulación antes de la válvula, es
decir, operar directamente la válvula con el controlador en manual y crear un
pequeño y rápido cambio en escalón en el proceso de entrada. La respuesta
obtenida se introduce en un registrador de gráfico de banda de precisión
con el mayor tamaño posible del gráfico para obtener la mayor exactitud.
En el punto de inflexión de la curva obtenida se traza una tangente lo más
aproximada posible y se miden los valores R y L (fíg. ).
Fig. 9.42 Curva de reacción.
El retardo L es el tiempo en minutos que transcurre entre el instante del cambio en
escalón y el punto en que la tangente anterior cruza el valor inicial de la variable
controlada. AP es el % de variación de posición de la válvula de control que
introduce el escalón en el proceso.
Las fórmulas a aplicar son las siguientes:
1. Control proporcional
% BP= 100 RL
DP
2. Control P + I
% BP= 110 RL
DP
Minutos por repetición = L
0,3
3. Control P + I + D
% BP= 83 RL
DP
Minutos por repetición = L
0,5
Minutos de anticipo = 0,5 L
Hay que señalar que los procedimientos de ganancia límite y de curva de reacción
fueron
deducidos empíricamente después de analizar muchos tipos de procesos
industriales y ambos se basan en la respuesta del proceso ante una perturbación.
Como esta perturbación es provocada, se corre el riesgo de abandonar las
condiciones normales de trabajo del lazo de control. Por otro lado, es evidente que
las características del proceso no permanecen constantes en todo momento, por
lo cual puede ocurrir que los valores de las acciones determinados en unas
condiciones de carga dadas se aparten de las bandas convenientes para otras
condiciones de carga distintas. De aquí, que es preferible realizar los ensayos en
las peores condiciones de carga del proceso para que, de este modo, los ajustes
del controlador sean válidos en todas las condiciones de servicio.
Observaciones análogas pueden aplicarse a las bandas determinadas con el
método de tanteo debiendo señalar que para afinar los ajustes determinados con
los otros dos métodos es conveniente realizar un procedimiento de tanteo
adicional.
Métodos de ajuste automático. El instrumento controlador dispone de un algoritmo
de autoajuste de las acciones de control que le permite sintonizar con una amplia
gama de procesos industriales. Existen varias formas de realizar el autoajuste:
a) La aplicación de una señal de prueba al proceso, y el análisis de su respuesta
con la obtención de un modelo matemático y el diseño analítico del controlador, o
bien el uso de las formas del método de ganancia límite de Ziegler y Nichols.
En el primer caso, tal como el método de Nishikawa, Sannomiya, Ohta y Tanaka
(1984), el operador envía una señal de prueba y el sistema obtiene un modelo que
minimiza la señal de error
Ü e(t) &127 e(bt)2 dt donde b está relacionado
con la razón de amortiguamiento. Una vez estimadas las características del
modelo, lo que precisa un cierto tiempo (tanto mayor cuanto más oscilatoria sea la
respuesta), el ordenador calcula los parámetros PID que minimizan el error.
Fig. Métodos de Chindambara y de Kraus y Myron.
Los métodos de Chindambara (1970) y de Kraus y Myron (1984) están basados en
el método de ganancia límite. Analizan la señal de error obtenida ante cambios en
el punto de consigna o en la carga del proceso (véase la figura 9.43) y son
fácilmente programables en el ordenador del proceso.
En el método de Chindambara se dan valores aproximados a las acciones del
controlador y se aplican las fórmulas siguientes para obtener de forma iterativa los
nuevos valores PID.
Controlador P þ BPn+1 = Bpn
(0,5 + 2,27 X R)
Controlador P + I
Igual BPn+1 TI = P min/rep
1.2 Ö1+R2
Controlador P + I + D
Igual BPn+1 TI= P min/rep, TD = P min
2 Ö1+R2 8 Ö1+R2
siendo
R = 1 ln a un valor relacionado con la relación de amortiguación
2 X 3,14 b
(si R = 22 se tiene una relación de amortiguación de 0,25).
a y b son las áreas de las ondas cortadas por la recta de consigna (o de modo
simplificado las longitudes de las crestas)
P = período de la oscilación amortiguada en minutos
En el método de Kraus y Myron se intenta obtener el mínimo tiempo de subida
fijando limitaciones en el amortiguamiento b/a y en la primera recuperación a/DPC.
Las fórmulas de Ziegler y Nichols dan: TÍ = P/1,2 (o P/2 en PID) y TD = P/8 que
aplicados al controlador darán un nuevo amortiguamiento b/a y recuperación
a/DPC que no deben sobrepasar los límites anteriores. Si lo hacen, el controlador
varía su ganancia para cumplir con esta condición y, por lo tanto, calcula nuevos
valores de Tí y TD.
Si al aplicar estos métodos el proceso entra en oscilación, la perturbación
consiguiente puede invalidar la aplicación, si el proceso no lo permite.
b) El análisis continuo u ocasional (ante una perturbación o una modificación del
punto de consigna) del proceso sin aplicar señales de prueba, sin perturbar, pues,
el proceso, pero con el inconveniente de no detectar los cambios lentos del
mismo. Se trata de controladores adaptativos. En la figura pueden verse estos dos
tipos de sistemas de ajuste.
El ordenador puede utilizarse (por ejemplo, dentro del control distribuido) para
ajustar las acciones de control con técnicas «off-line», que trabajan con modelos
dinámicos del proceso, y con técnicas «on-line», que identifican la dinámica del
proceso con la planta en operación. El ordenador realiza los cálculos, verifica lo
que ha hecho el operador y realiza los ajustes en el controlador.
El ordenador personal también puede utilizarse (con el software adecuado) en el
análisis y ajuste del lazo de control. El programa obtiene datos de la variable de
proceso a partir de la respuesta en lazo cerrado a un escalón o impulso y guarda
los valores de la variable medida y de la señal de salida del controlador en ficheros
ASCII, tipo Lotus o Notebook o similares. Analizando estos datos, calcula los
valores de las acciones P, PI, PD o PID del controlador.
Fig. 9.44 Métodos de ajuste automático.
A señalar que en los controladores analógicos neumáticos o electrónicos, el ajuste
de los valores de las acciones se realiza en diales de pequeño diámetro con
graduaciones muy separadas, con lo cual la precisión del ajuste no supera ± 15 %
del valor seleccionado. Por contra, los controladores digitales permiten ajustes
exactos y repetitivos, lo que es indudablemente una ventaja, si cualquier aparato
es sustituido por razones de mantenimiento.
4.5 . Aplicaciones de los controladores
En este capítulo se presentan varias aplicaciones típicas en la industria. Las
operaciones de proceso que se utilizan con mayor frecuencia son:
— Calderas de vapor.
— Secaderos y evaporadores.
— Hornos de empuje.
— Columnas de destilación.
— Intercambi adores de calor.
Calderas de vapor
Las calderas de vapor se utilizan en la mayoría de industrias debido a que muchos
procesos emplean grandes cantidades de vapor. La caldera se caracteriza por una
capacidad nominal de producción de vapor en t/h a una presión especificada y con
una capacidad adicional de caudal en puntas de consumo de la fábrica.
A la caldera se le exige, pues, mantener una presión de trabajo constante para la
gran diversidad de caudales de consumo en la factoría, por lo cual debe ser capaz
de:
a) aportar una energía calorífica suficiente en la combustión del fuel-oil o del gas
con el aire;
b) desde el punto de vista de seguridad, el nivel debe estar controlado y
mantenido dentro de unos límites;
c) es necesario garantizar una llama segura en la combustión.
d) el sistema de control debe ser seguro en la puesta en marcha, en la operación y
en el paro de la caldera.
e) el funcionamiento de la caldera debe ser optimizado para lograr una rentabilidad
y economía adecuadas, lo cual es posible con un control digital y/o distribuido que
permite optimizar la combustión (ahorros de 2 a 10 % en combustible) y ganar en
seguridad.
Control de combustión
La regulación de la combustión se basa en mantener constante la presión de
vapor en la caldera, tomándose sus variaciones como una medida de la
diferenciaentre el calor tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado.
El controlador de la presión de vapor ajusta la válvula de control de combustible.
La señal procedente del caudal de aire es modificada por un relé de relación para
ajustar la relación entre el aire y el combustible, y pasa a un controlador que la
compara con la señal de caudal de combustible. Si la proporción no es correcta,
se emite una señal al servomotor de mando del ventilador o a la válvula de
mariposa, de modo que el caudal de aire es ajustado hasta que la relación
combustible-aire es correcta.
En la regulación de la combustión puede darse preferencia en el mando al
combustible o al aire para que la operación de la caldera corresponda a un
sistema determinado de variadas características de seguridad. Estas
características
de
combustión son las siguientes:
—Caudal fuel—caudal aire en serie.
— Caudal aire — caudal fuel en serie.
— Presión de vapor — caudal fuel/caudal vapor — caudal aire en serie.
— Caudal aire — caudal fuel en paralelo.
— Caudal fuel — caudal tare en serie.
En el primer esquema de funcionamiento que puede verse en la figura 11.1 a, el
controlador de presión ajusta el punto de consigna del controlador de caudal de
fuel y esta variable actúa a través del relé de relación fuel-aire, como punto de
consigna del controlador de aire. Como las variaciones del caudal de fuel influyen
lentamente en la señal de presión de vapor, el controlador «maestro» se ajusta
para una respuesta rápida ante cambios en la presión. En esta disposición si varía
la presión del vapor, el caudal de fuel cambia antes que el del aire de combustión.
Si se limita el caudal de fuel, lógicamente quedará también limitado el caudal de
aire. La desventaja principal del sistema es el riesgo de explosión que se presenta
ante un fallo de aire en el punto de consigna del controlador de caudal de aire; si
así ocurre no hay aire de combustión pero el fuel continua circulando.
Caudal aire — caudal fuel en serie
Tal como puede verse en la figura 11.1 b, aquí la señal de aire ajusta a través del
relé de relación el controlador de fuel. El sistema es más seguro que el anterior ya
que elimina la posibilidad de formación de una mezcla explosiva cuando falla la
señal de aire de combustión.
Una variante de este sistema consiste en utilizar un controlador de carga de la
caldera a la salida del «maestro» de presión (común a varias calderas). La salida
del controlador de carga es dirigida a dos selectores de máxima y de mínima, lo
que permite: ante un aumento de la demanda de vapor la señal pasa al
controlador de aire, sin que el fuel o el gas aumente hasta que no lo ha hecho el
aire; si la demanda de vapor disminuye, el fuel disminuye el primero y luego lo
hace el aire; y si la señal de aire falla, el caudal de fuel-oil baja a cero
automáticamente.
c) Presión de vapor-caudal fuel serie Caudal vapor- caudal aire serieVapor
Caudal aire-caudal fuel en paralelo
Fig. 11.1 (Continuación)
Presión de vapor — caudal fuel en serie/caudal vapor — caudal aire en serie
El sistema representado en la figura 11.1 c se caracteriza por mantener con más
seguridad la relación correcta aire-fuel aunque el fuel no sea medido
correctamente. El controlador de presión de vapor ajusta el controlador de caudal
de fue!. El transmisor de caudal de vapor ajusta el controlador de caudal de aire al
sistema de control de combustión. Aunque las variaciones de caudal de vapor
sean rápidas, las fluctuaciones que experimenta no lo son tanto como la presión
de la línea de vapor principal. Este sistema se emplea con preferencia en calderas
de carbón pulverizado.
Caudal aire — caudal fuel en paralelo
La ventaja principal de este sistema, que puede verse en la figura ll.ld, es su
control directo en el fuel y en el aire. De hecho, para mantener una relación
correcta fuel-aire conviene incorporar al sistema un relé de relación manual.
Control de nivel
La regulación del agua de alimentación que establece el nivel de la caldera
depende de múltiples factores, del tipo de caldera, de la carga, del tipo de bomba
y del control de presión del agua de alimentación.
El sistema de control del agua de alimentación puede realizarse de acuerdo con la
capacidad de producción de la caldera, según la tabla 11.1 que figura a
continuación y que el lector debe tomar sólo como guía de selección teniendo
presente que cada caso individual debe estudiarse separadamente.
TABLA 11.1 Sistemas de control de nivel
En la regulación de nivel de un elemento representada en la figura 11.2 c el único
instrumento utilizado es el controlador de nivel que actúa sobre la válvula del agua
de alimentación. El instrumento medidor de nivel puede ser del tipo
desplazamiento o de presión diferencial de diafragma.
En calderas de pequeña capacidad, inferior a 1000 kg/h, la regulación puede ser
todo-nada, con dos alarmas de nivel alto y bajo que ponen en marcha la bomba de
alimentación del agua (fig. 11.2a).
Fig. 11.2 Control de nivel.
clUn elemento con
controlodor neumático
d)Dos elementos
Fig. 11.2 (Continuación)
En calderas de capacidad media, del orden de 2000-4000 kg/h, puede utilizarse un
controlador de flotador con un reóstato acoplado eléctricamente a una válvula
motorizada eléctrica. Este conjunto (fig. 11.2 b) actúa como un control proporcional
con punto de consigna el punto medio del campo de medida del nivel de flotador.
La regulación de nivel de dos elementos se logra con un controlador de caudal de
vapor y un controlador de nivel cuyas señales de salida se comparan en un relé de
relación que actúa directamente sobre la válvula de control del agua de
alimentación. En la figura 11.2 d puede verse este sistema de control. De cuerdo
con la demanda de caudal de vapor hay una aportación inmediata de agua de
alimentación a través del controlador secundario de nivel. Este último es utilizado
solamente como reajuste de las variaciones que pueden producirse con el tiempo
en el nivel de la caldera.
La regulación de tres elementos elimina el fenómeno de oscilación del nivel de
agua que se produce cuando el caudal de vapor crece o disminuye rápidamente.
Cuando el caudal de vapor aumenta bruscamente, la presión baja, con lo que se
produce una vaporización rápida que fuerza la producción de burbujas y agua, lo
que da lugar al aumento aparente de nivel de la caldera. La oscilaciónes opuesta a
la demanda y el fenómeno es importante en calderas de cierta potencia y volumen
reducido, sujetas a variaciones de caudal frecuentes y rápidas.
La oscilación es opuesta a la demanda y el fenómeno es importante en calderas
de cierta potencia y volumen reducido, sujetas a variaciones de caudal frecuentes
y rápidas.
Las tres variables que intervienen en el sistema son:
— Caudal de vapor.
— Caudal de alimentación de agua.
— Nivel de agua.
Para que las condiciones de funcionamiento sean estables, el caudal de vapor y el
de agua deben ser iguales y de forma secundaria, el nivel de agua debe
reajustarse periódicamente para que se mantenga dentro de unos límites
determinados (normalmente son de unos 50 mm por encima y por debajo de la
línea central de la caldera). Manteniendo estas funciones en las tres variables, los
instrumentos correspondientes pueden estar relacionados entre sí de varias
formas. Las más representativas se encuentran en la figura 11.2 e en las que una
señal anticipativa (feedforward) del caudal de vapor, se superpone al control de
nivel, y todas tienen por objeto dar prioridad a las diferencias entre los caudales de
agua y de vapor frente a las variaciones del nivel que pueden producirse ante una
demanda súbita, es decir, el sistema de control en estas condiciones actúa
obedeciendo a la diferencia relativa de caudales con preferencia a los cambios en
el nivel.
Señalemos que la medida del caudal de vapor se efectúa preferentemente con
una tobera porque su forma suave evita la erosión que de otra forma se produciría
en una placa-orificio por causa de las gotas de agua que inevitablemente arrastra
el vapor. El caudal de agua de alimentación puede medirse a través de una placaorificio o de una tobera.
Seguridad de llama
Exceptuando las calderas de muy pequeña capacidad, el elemento detector
utilizado universalmente es el ultravioleta por la gran seguridad que ofrece. El relé
de llama conectado al detector puede adoptar muchas formas, desde la más
sencilla alarma y paro de la caldera hasta realizar funciones de:
— prebarrido, es decir, limpieza de los gases que pueden haberse acumulado
desde la última combustión;
— encendido de la llama piloto;
— encendido de la llama principal;
— paro de la instalación según un enclavamiento secuencial en el que intervienen
los elementos: fallo de llama, presóstato de baja presión de fuel o gas, alarma de
nivel de la caldera, etc.;
— postbarrido, fase en la que se limpian los gases quemados,
El circuito de llama (detector + relé) dispone además de una comprobación de su
propio circuito en el arranque de la caldera, lo cual es suficiente en las industrias
que paran una vez a la semana. Si el proceso es continuo y la caldera debe
trabajar sin paros durante períodos prolongados, aumenta el riesgo de
coincidencia entre el fallo del sistema de seguridad y la presencia de grandes
cantidades de combustible sin quemar. Se recomienda utilizar un detector
ultravioleta que permite autocomprobar cada segundo el circuito electrónico del
sistema de llama. Se consigue mediante una placa que corta periódicamente la
radiación de la llama hacia el detector, momento en el cual se autocomprueba el
circuito. Cualquier fallo detectado hace parar la instalación.
Secaderos y evaporadores
Los secaderos tienen por objeto obtener el producto sólido con poca humedad,
mientras que los evaporadores concentran el producto en forma líquida al
evaporar el agua.
Entre los diversos modelos de secaderos se encuentra el secadero continuo de
evaporación rápida (flash) que transporta el producto en una corriente de aire
caliente y en muy poco tiempo disminuye su humedad hasta el valor final. Como
es difícil medir directamente la humedad del producto en forma continua se
controla en su lugar la temperatura variable que depende indirectamente de la
humedad. En la figura 11.3 se encuentra un esquema de este secadero con los
instrumentos de control correspondientes. El producto en forma de polvo húmedo
entra en el circuito después del horno y se seca durante el recorrido por el tubo
vertical.
El control suele ser en cascada, siendo la variable primaria la temperatura de
salida y la variable secundaria la temperatura después del horno. El control es
normalmente PID.
El quemador del horno tiene controles auxiliares, tales como vigilancia de
Fig. 11.3 Secadero de evaporación rápida.
llama, válvula autorreguladora de presión para inyectar vapor al fuel-oil y
pulverizarlo, válvula de solenoide con rearme manual para cerrar el paso del
combustible, presostatos y termostatos para alarma de máxima y mínima presión y
de temperatura. El conjunto forma parte del circuito de enclavamiento de la
instalación.
Otro tipo de secador es el rotativo, que consiste en un cilindro de gran longitud en
cuya entrada se introduce el producto húmedo y a cuyo través circula aire caliente.
En la figura 11.4 puede verse un esquema del control del proceso observándose
que, análogamente al secadero de evaporación rápida, el control suele ser en
cascada PID.
Otro tipo de secador es el de doble cilindro rotativo, representado en la figura 11.5,
que fue uno de los primeros sistemas que se empleó para secar.
Consiste en dos cilindros rotativos calentados con vapor que giran en sentidos
opuestos hacía adentro muy poco separados y arrastrando una película del
producto. Los cilindros se cargan con producto que se seca en el corto espacio
existente en el rodillo hasta una cuchilla que lo arranca y cae en un transportador.
Vopor_Producto>^ húmedo
Fig. 11.4 Secadero rotativo.
Fig. 11.5 Doble cilindro rotativo.
El único control automático que se aplica es la regulación de presión de vapor. Los
evaporadores existen en muchos tamaños, formas y tipos. El evaporador
discontinuo es de producción forzosamente limitada por la necesidad de las
operaciones de llenado y de vaciado.
En cambio, el evaporador continuo tiene una producción más regular. Según el
número de veces que la solución es calentada por la fuente de calor se tienen
varios tipos: evaporador de simple efecto, de doble efecto y de triple efecto e
incluso de más efectos si bien los más comunes son los dos últimos).
En la figura 11.6 se representa un evaporador de un solo efecto- Se establece un
caudal fijo de vapor a la calandria, se controla el nivel del evaporador variando la
entrada del producto, y se regula la concentración midiendo la elevación del punto
de ebullición, es decir, la diferencia de temperaturas entre el líquido en ebullición
en el evaporador y el condensado a la misma presión absoluta, y actuando sobre
la salida del producto. Otras formas de medir la concentración están basadas
Fig. 11.6 Evaporador de simple efecto.
en la conductividad, en la presión diferencial y en la radiación gamma, pero
excepto este último tienen el problema de la posible obturación del elemento. Se
controla asimismo la presión absoluta en el cuerpo del evaporador, actuando
sobre la entrada de aire o bien sobre la entrada del agua que va al condensador
barométrico caso de utilizar este sistema para generar el vacío.
En la figura 11.7 puede verse la regulación de un triple efecto. Excepto el primer
efecto, los otros dos se calientan con el vapor del producto generado en el efecto
anterior. Debido a su gran capacidad y a la lentitud con que se establecen nuevas
condiciones en el proceso, el sistema de control se escoge de modo que se
mantengan condiciones fijas y se disminuyan al mínimo los efectos de cambios de
carga exteriores al proceso. Los instrumentos de control son similares a los del
evaporador de un solo efecto.
Horno túnel
Los instrumentos de regulación y control forman parte integral de los equipos de
proceso de la industria cerámica y en particular constituyen una necesidad en el
proceso de cocción de los productos cerámicos realizado en un horno túnel.
Los procesos de cocción del bizcocho y del bizcocho recubierto de esmalte se
basan 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 (fig. 11.8). La carga es transportada en
vagonetas a una velocidad determinada y las temperaturas se regulan
básicamente en la zona de cocción donde se encuentran situados los quemadores
de combustible y los valores deseados en la zona de precalentamiento se
alcanzan mediante la circulación de aire caliente procedente de la zona de
enfriamiento.
Estas temperaturas corresponden a las zonas del homo, ya que salvo casos muy
especiales, es difícil medir directamente la temperatura de las piezas. De todos
modos, debido al tiempo que las piezas pasan dentro del homo puede admitirse
que en la última zona, donde no absorben prácticamente calorías, su temperatura
es muy próxima a la de las paredes.
PIC TRC-l
Fig. 11.8 Esquema de la regulación de un horno túnel típico,
La medida de la temperatura se efectúa con termopares de cromel-alumel o de
platino platino-rodio, según sean las temperaturas alcanzadas y con fundas
cerámicas de mullita süice-alumínica o de aluminio recristalizado (nótese que
lastemperaturas máximas de trabajo de los termopares de cromel-alumel y platíno
platino-rodio son de 950-1200" C y de 1400° C, respectivamente).
Los reguladores actúan o bien sobre una válvula de solenoide, o bien sobre
válvulas neumáticas.La zona de cocción puede dividirse en varias zonas de
control y cada una suele estar regulada independientemente por un regulador
todo-nada, o flotante, o bien por un regulador proporcional o proporcional +
integral o proporcional + integral + derivativo.
En el horno túnel es también importante la regulación del tiro al mantener una
distribución uniforme de temperaturas en cada sección del horno. Las dos tomas
del controlador de tiro se conectan en lados opuestos en la entrada o salida de la
zona de encendido que es la posición que usualmente da los mejores resultados.
El controlador actúa sobre el ventilador de salida del aire manteniendo así el tiro
deseado.
Columnas de destilación
La operación de destilación consiste en separar una mezcla por diferencia de
composición entre un líquido y su vapor. Esta operación se realiza en forma
continua en las denominadas columnas o torres de destilación donde por un lado
asciende el vapor del líquido hasta salir por la cabeza de la columna y por el otro
va descendiendo el líquido hasta llegar a la base. En estos pasos tiene lugar una
mezcla entre las dos fases, de tal modo que pueden efectuarse extracciones a
distintos niveles de la columna para obtener productos más o menos pesados.
Los problemas de la destilación son muy diversos, por lo cual los tipos de
columnas lo son también. Estudiaremos una columna típica de funcionamiento
continuo que está representada en la figura 11.9.
Las variables importantes que regulan el funcionamiento de la columna son la
presión en la cabeza de la columna, el caudal, la composición y la temperatura de
la alimentación, el calor añadido y las calorías extraídas y los caudales de
destilado y de producto extraídos en la base.
La presión en la columna se regula mediante un controlador de presión en
cascada con un controlador de caudal de los gases incondensables que escapan
del condensador, si bien también podría efectuarse con el regulador de presión
actuando directamente sobre la válvula de gases incondensables.
El caudal de la alimentación se regula con un controlador de caudal que mantiene
un caudal constante, gracias a una banda proporcional bastante estrecha (alta
ganancia).
La composición de la alimentación tiene una gran importancia en el
funcionamiento de la columna. Sin embargo, es difícil ajusfar esta composición de
modo que es necesario actuar sobre la columna cuando se presentan cambios en
la composición de la alimentación. Entre los analizadores, el cromatógrafo es el
más utilizado.
La temperatura de la alimentación es también importante. Al objeto de controlarla
se emplea un intercambiador de calor con vapor. La temperatura se regula en
cascada con el caudal del vapor.
El calor añadido en la columna se efectúa a través de un intercambiador de calor
instalado en,la base o en un plato intermedio de la columna. Un controlador de
caudal de vapor ajusta estas calorías aportadas. Como complemento se instala un
controlador de nivel en la base de la columna que lo ajusta mediante una válvula
de control que actúa sobre la extracción. Las calorías extraídas tienen lugar en el
condensador de los gases que salen de la cabeza de la columna. Un controlador
de caudal de agua de refrigeración del condensador ajusta estas calorías.
El caudal de destilado se ajusta mediante un controlador de nivel del condensador,
en cascada con un controlador de caudal en la extracción.
El caudal de producto extraído en la base está relacionado con el calor añadido en
la columna y tal como se ha indicado está regulado indirectamente por el
controlador de nivel de la base de la columna.
Es obvio que las variables que influyen en el funcionamiento de la columna de
destilación son muy diversas y que cada una de ellas, si varía, actúa como una
perturbación en todo el proceso, por lo cual existen formas variadas de control,
derivadas de la estudiada, que cada vez son más complejas, siendo la última la
optimización mediante computador que se aplica siempre que los estudios
económicos así lo aconsejen.
Intercambiadores de calor
La gran mayoría de los procesos industriales emplean intercambiadores de calor
en operaciones tales como precalentamiento, pasteurización, esterilización y
refrigeración, entre otras.
Existen varios sistemas para el control de los intercambiadores de calor debido a
que son muchos los factores que deben considerarse: la presión del vapor o del
fluido de alimentación, las fluctuaciones en el caudal del producto, las variaciones
en la temperatura del producto, en su calor específico, los retardos del proceso,
etc.
En la figura 11.10a puede verse un esquema de control simple con un controlador
de temperatura que actúa directamente sobre la válvula de vapor. En otro sistema
(fig. 11.10 A) se regula la extracción de condensado, es decir, indirectamente el
nivel de condensado en el serpentín de vapor, mediante un controlador de
temperatura del producto que manda una válvula de control en la línea de salida
del condensado. Como ventajas, el sistema ofrece con relación al anterior la
eliminación de los problemas de purga del condensado al mantenerse constante la
presión de vapor dentro del serpentín y el empleo de una válvula de control más
pequeña.
Sin embargo, el control óptimo de temperatura deja mucho que desear ya que si
disminuye el caudal del producto, el controlador de temperatura manda cerrar la
válvula y el serpentín tarda cierto tiempo en llenarse del condensado del vapor con
el resultado de una considerable lentitud en la respuesta del sistema para
acomodarse a las nuevas condiciones. En cambio, lo contrario, es decir, el
aumento del caudal del producto tiene una respuesta rápida ya que al abrirse la
válvula de control, el serpentín se vacía rápidamente. Una variante del sistema
anterior que se aplica cuando la presión del condensado es baja y existen
problemas en su eliminación, es la sustitución del purgador clásico del
condensado por un control de nivel del condensado (fig. ll.lOc).
b) Control de temperatura en la linea de condensado
o) Contro! de temperatura en la línea de vapor
c) Control de temperatura en la línea de vapor con control de nivel en el
condensado
d) Control en cascada
e) Control en adelanto +reolimentacion neumáticos
Fig. 11.10 intercambiador de calor de vapor.
f) Control en adelonto -t-reolimentación electrónico utilizando un pequeño
computador
g) Control en derivación del producto
Salido
producto
h) Control en derivación del fluido de calefacción o de refrigeración
Fig. 11.10 (Continuación)
La temperatura del producto continúa siendo regulada por un controlador
convencional actuando sobre la válvula de vapor.
Otro sistema es el control en cascada (fig. 11.10t¿) entre el controlador de
temperatura como primario y un controlador de presión de vapor como secundario,
De este modo, las variaciones de presión del vapor de la línea de alimentación son
corregidas inmediatamente por el controlador de presión secundario y el
controlador de temperatura primario se encarga de compensar las variaciones de
temperatura por otras causas.
El control en adelanto (-feedforward), combinado con el control clásico de
realimentación, también puede aplicarse a un intercambiador de calor, en
particular cuando su operación es crítica y se necesita un control estable con una
recuperación rápida ante las perturbaciones, que compense el coste elevado de la
instrumentación implicada. Idealmente, la ecuación que debe resolver
continuamente el control en adelanto es la:
W^ X ^ = WpCeOa — h)en la que:
W^ = caudal del vapor en peso (kg/h);
q, = calor de condensación del vapor;
Wp = caudal del producto en peso (kg/h);
Ce == calor específico del producto;
tí, tz = temperaturas del producto a la entrada y a la salida, respectivamente,
prescindiendo del rendimiento del intercambiador. Esta ecuación puede
transformarse a:
W^q^
=
Wp
es decir, en otros términos:
fe
;2
—
Wy
Ce
/i
Posición válvula de control == Ki • Wy • ?i — K-z
ya que t-s se mantiene constante.
De este modo, un instrumento multiplicador realiza la operación Ki Wy tí y otro
sumador le resta a esta señal la Wy Ce t^ obtenida de la señal de temperatura ^
combinándose así el control en adelanto y el de realimentación (fig. 11.10 e). En la
figura 11.10 / puede verse el mismo tipo de control pero utilizando un computador.
En los casos de interc ambladores de calor entre líquidos, es usual estabilizar la
temperatura del líquido de calefacción o refrigeración en un sistema separado.
Cuando el intercambiador de calor tiene una respuesta demasiado lenta, el
mantenimiento de temperatura del producto se realiza con un controlador de
temperatura actuando sobre una válvula de tres vías diversora que deriva el
intercambiador. De este modo se logra una respuesta rápida frente al empleo de
una válvula de dos vías, ya que la capacidad térmica del intercambiador es grande
e introduce un retardo considerable ante cambios en la carga. El producto es
derivado y se mezcla directamente con el producto caliente que sale del
intercambiador. (figura 11.10 g).
Una variante del control en derivación se aplica en los casos de intercambiadores
de calor entre líquidos, donde es usual estabilizar la temperatura del líquido de
calefacción o de refrigeración en un sistema separado. En la figura 11.10 h puede
verse el control de un intercambiador utilizando aceite térmico obtenido de un
sistema separado, A este sistema podría aplicársele, si se deseara, un control en
cascada con la temperatura del fluido térmico como variable secundaria.
11.7 Control del reactor en una central nuclear
En una central térmica convencional se utiliza una caldera de vapor con un
quemador de fuel-oil o gas (o bien carbón). El calor generado se transfiere al agua
de la caldera a través del haz de tubos dispuestos en el interior de la cámara de
combustión. El agua se transforma en vapor que, sobrecalentado, pasa a la
turbina, que a su vez mueve los generadores correspondientes.
En Ía central nuclear, la función realizada por la caldera es sustituida por el reactor
nuclear combinado con un sistema primario de refrigeración y generadores de
vapor.
En los dos sistemas, el control del agua en la caldera y el de la turbina es
básicamente el mismo: control de nivel de tres elementos en la caldera y posición
de las válvulas de admisión de la turbina para regular el caudal de vapor, y por lo
tanto, la potencia de salida. Sin embargo, señalemos que desde un punto de vista
simplificado, la caldera de la central térmica es compleja — la potencia de salida
gobierna el caudal de combustible y el aire de combustión combinados en la
mezcla adecuada, establece el número de quemadores a utilizar y en muchas
plantas fija la temperatura de sobrecalentamiento — mientras que la central
nuclear es básicamente más simple — sólo se requiere el control del consumo del
combustible nuclear. La producción áe la energía en el reactor nuclear se logra
mediante la fisión de los átomos del material combustible por el bombardeo con
neutrones. El número de éstos da una medida aproximada de la potencia de salida
y para ajusfarlo se posicionan adecuadamente las barras de control de reactividad.
El sistema de control emplea como señales de entrada, el flujo de neutrones, las
temperaturas, la presión y el caudal del fluido de refrigeración, la posición de las
barras de control y las calorías de salida de la planta. Un programa establece la
carga a aplicar para alcanzar el nivel de potencia deseado, mediante los grupos de
las barras de control. En la figura 11.11 puede verse un esquema simplificado del
conjunto de los instrumentos utilizados.
El núcleo del reactor contiene termopares de cromel-alumel y detectores móviles
de neutrones que proporcionan datos de la distribución de temperaturas y del flujo,
lo que permite determinar la distribución de potencia dentro del reactor y calibrar
los detectores de flujo externos.
Otra diferencia entre el reactor nuclear y la central térmica es el sistema de paro
de la central, ya sea planificado de antemano, ya sea en una emergencia.
Mientras que en la central térmica convencional el paro se realiza de modo simple
— cerrando las líneas de fuel-oil o de gas — y la emergencia puede ser debida a
fallos de presión en la línea o de caudal de aire de combusüón, en la central
nuclear el paro puede presentarse por pérdida del caudal de refrigerante primario
o aumento exagerado de la potencia de salida hasta un nivel de inseguridad. El
sistema de emergencia del reactor nuclear debe actuar rápidamente y debe ser de
alta confiabilidad.
Los sistemas de seguridad del reactor tienen en cuenta los siguientes puntos:
— Aislamiento del sistema de contención mediante una válvula de bloqueo en
cada línea que penetra en las paredes del reactor.
— Mantenimiento del sistema de barras de control y de seguridad en su posición.
Si el sistema falla por manipulación incorrecta o fallos del sistema de movimiento
se produce una liberación de radiactividad que causa un gran desprendimiento de
calor. Para eliminarlo, sea en caso de emergencia o bien en caso de paro
programado, es necesario que la instrumentación inicie una refrigeración de
emergencia,
Fig. 11.11 Esquema de control del reactor nuclear.
accionando rápidamente las barras de seguridad. La característica de velocidad
de éstas es muy importante, y como detalle señalemos que efectúan su carrera
completa en un poco más de medio segundo. Los criterios establecidos para la
seguridad de la central nuclear se basan en la confiabilídad y en la redundancia de
los instrumentos. Se han redactado normas que establecen métodos para ensayar
los contadores de radiactividad, los materiales eléctricos, los motores, los
requerimientos de inspección, de instalación y ensayo de los instrumentos, la
calificación sísmica y resistencia al calor de los mismos, en particular en el interior
de la contención, los ensayos para la comprobación de fallos con el reactor en
marcha mediante los sistemas redundantes de instrumentos, etc. El dispositivo de
seguridad es excitado principalmente ante un fallo de alimentación de los
instrumentos, una temperatura alta en la refrigeración, un nivel de potencia de
salida excesivo o un flujo elevado de neutrones.
El sistema de arranque del reactor debe tener en cuenta la gama tan amplia de
niveles de potencia que el reactor puede generar y debe realizar los siguientes
puntos:
Impedir que el grado de aumento del flujo de neutrones sea excesivamente rápido.
Impedir que la reactividad exceda los límites máximos de proyecto dentro de la
gama de potencias de trabajo. Mantener la adecuada generación de calor en
respuesta a la demanda. La instrumentación no nuclear incluida en el bucle del
agua de refrigeración primario del reactor contiene medidores de presión
diferencial del núcleo del reactor y de la bomba de refrigeración, transmisores de
temperatura y de presión, medidores de caudal de refrigerante, de temperatura
diferencial, de calorías, etc
5. Tópicos de control asistido por computadora
5.1 Adquisición de datos
5.2 Control supervisorio remoto
5.3 Control digital directo.
5.4 Instrumentación virtual
5.5 Control distribuido
CONTROL DISTRIBUIDO
En los años setenta, dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a la
resolución del problema del control de fábricas con gran número de lazos, y
teniendo en cuenta el estado de la técnica de los microprocesadores y la
característica «conservadora » de la industria, se llegó a las siguientes
conclusiones generales:
1. Descartar el empleo de un único ordenador (control DDC) por el serio
inconveniente de la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales
capaces de controlar individualmente un cierto número de variables, para así «
distribuir » el riesgo del control único.
2. Cada controlador digital debía ser « universal », es decir, disponer de algoritmos
de control seleccionables por software, que permitieran resolver todas las
situaciones de control y dieran así versatilidad al sistema. (De este modo, un solo
controlador digital podía efectuar un control P, ó PI, ó PID, ó de relación, o en
cascada,...)
3. La velocidad en la adquisición de los datos y su salida hacia las válvulas de
control debía ser en « tiempo real », lo que obligaba a utilizar microprocesadores
de 16 bits (que en los anos setenta eran comercialmente una novedad).
4. Para comunicar entre sí los transmisores electrónicos de campo, los
controladores y las interfaces para la comunicación con el operador de la planta,
se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones, en forma de cable coaxial
instalado en la planta, con un recorrido paralelo a los edificios y a la sala de
control.
5. Para eliminar el espacio de panel requerido por el control clásico, se adoptó el
uso de uno o varios monitores TRC, en los cuales, el operador, a través del
teclado, debía examinar las variables de proceso, las características de control, las
alarmas, etc., sin perturbar el control de la planta, y con la opción de cambiar
cualesquiera características de control de las variables del proceso.
Como resultado de estos esfuerzos, el primer « control distribuido » para la
industria apareció en noviembre de 1975 (TDC 2000 de HoneyweII).
En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clásico puede
compararse a la existencia entre el primer ordenador, el ENIAC, que se
configuraba cambiando cables, y el actual ordenador personal donde los cables
existen «electrónicamente » configurados por el programa escrito (software) que
se ejecuta.
El ordenador personal también se ha incorporado al control distribuido. Permite la
visualización de las señales de múltiples transmisores, el diagnóstico de cada lazo
de transmisión, el acceso a los datos básicos de calibración y a los datos de
configuración de los transmisores.
El controlador básico del sistema es un mícroprocesador que proporciona los
clásicos controles PID y otros algoritmos de control- Es apto para el manejo de 8
lazos que proporciona, entre otros, los siguientes algoritmos de control:
Salida
PID
PID
con
ajuste
PID
con
Adelanto-retardo
Sumador
Multíplicador-Divisor
Relación
Extracción
Rampas
programadas
Contador
externo
control
de
(temperatura
del
punto
anticipativo
raíz
en
procesos
manual
normal
de
consigna
(feedforward)
cuadrada
discontinuos)
Estos algoritmos pueden configurarse definiéndose de este modo, el último modo
de control a retener en caso de avería, las unidades de ingeniería (tipo de
termopar, termorresistencia,...), la, acción de control (directa, inversa), el tipo de
señal de entrada (lineal, raíz cuadrada,...), las alarmas, etc.
El controlador multifundón que, al utilizar en su programación un lenguaje de alto
nivel, se asemeja a un ordenador personal, proporciona las funciones de control
lógico que permiten regular un proceso discontinuo (batch control), y el manejo de
procesos complejos, en los que el controlador básico está limitado. Tal es el caso
del control de una columna de destilación, donde el control es dinámico, y es
necesario realizar cálculos en «tiempo real» sobre las ecuaciones de equilibrio
entre el reflujo interno y el reflujo extemo en cabeza de la columna.
Otros casos típicos son la manipulación de reactores en condiciones anormales, el
precalentamiento de líquidos de alimentación de procesos mediante la creación
matemática de modelos, etc.
El control secuencial enlaza el' control analógico (modulante con posiciones que
varían continuamente en la válvula de control) con el control, lógico. Por ejemplo,
el arranque y el paro de una caldera de vapor deben hacerse de modo secuencial
para eliminar totalmente el riesgo de una explosión que ocurriría si, en el peor de
los casos, entrara agua en la caldera con el nivel muy bajo y con los tubos del
serpentín al rojo. El control secuencial se realiza con un conjunto de instrucciones
o sentencias, parecidas a programas de ordenador, que establecen en el tiempo
los puntos de ajuste de cada elemento para que tenga lugar la secuencia
deseada. El lenguaje empleado es de alto nivel, parecido al BASIC, y orientado al
usuario del ordenador personal, por lo que es fácil de escribir y de interpretar.
En el control discontinuo (batch control) es usual automatizar la entrada de
ingredientes, en particular en la industria farmacéutica, definiendo su naturaleza y
cantidades en lo que se llama la fórmula (recipe). Debido a que se fabrican
muchos productos diferentes en la misma unidad de fabricación, es necesario que
el equipo de control sea versátil para satisfacer la gran variedad de fórmulas
(recipes) que pueden presentarse. La práctica usual es disponer de un programa
de la fórmula principal grabado en diskette, y modificar ésta dinámicamente de
acuerdo con los datos de la fórmula, las fases del proceso discontinuo y el tiempo
estimado de ejecución de la operación.
Los controladores programables sustituyen a los relés convencionales utilizados
en la industria. En lugar de disponer de pulsadores y relés para los circuitos de
enclavamiento y para el accionamiento de los motores de la planta, con el
correspondiente panel o cuadro de mandos y con los consiguientes cables de
.conexión, voluminosos y caros, el controlador programable aporta la
solución/versátil, práctica y elegante del software en un lenguaje especial, basado
en la lógica de relés.
El teclado del controlador dispone de símbolos que representan la lógica de los
contactos: NA (normalmente abierto), NC (normalmente cerrado), Temporización
ON u OFF, Contador, Constante, etc.
De este modo, pueden desarrollarse programas que representen cualquier circuito
de enclavamiento, y comprobarlos con un simulador de contactos, antes de
acoplar el controlador programable a la planta.
La estación del operador proporciona la comunicación con todas las señales de la
planta para el operador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de
mantenimiento. La presentación de la información a cada uno de ellos, se realiza
mediante programas de operación. De este modo:
1. El operador de proceso ve en la pantalla (o pantallas) un gráfico o gráficos del
proceso que le interesa, y puede manipular las variables deseadas, las alarmas,
las curvas de tendencia, etc. Puede archivar datos históricos de la planta que crea
interesantes, obtener copias en impresora de las tendencias, el estado de las
alarmas, etc.
2. El ingeniero de proceso p.uede editar programas del proceso, construir las
representaciones en la pantalla de partes del proceso, etc.
3. El técnico de mantenimiento puede fundamentalmente diagnosticar y resolver
problemas en los elementos de control distribuido de la planta.
El computador permite implementar los programas de aplicación de los usuarios,
destinados a obtener información determinada de la planta, y procesarla con
objeto de analizarla más adelante. El sistema se presta a optimizar variables,
hacer cálculos especiales o complejos sobre balance de energía o de consumo de
materias primas de la planta, y a confeccionar «rapports» especiales.
Por otro lado, el computador puede comunicarse con otros ordenadores de mayor
capacidad para obtener información sobre el consumo de materias primas, sobre
los factores que influyen en la producción y en su rendimiento, y sobre los datos
analíticos que se utilicen en la optimización de la planta. Y, como es lógico, esta
información actual obtenida del proceso es accesible a la dirección, que puede
utilizarla para el control de costos de la planta.
SISTEMAS DISTRIBUIDOS CON PC
1.- Definición
2.- Características
3.- Ventajas
4.- Desventajas
5.- Categorias
Definicion
Un sistema distribuido interconecta los lugares que tienen recursos
computacionales para capturar y almacenar datos, procesarlos y enviar datos e
información a otros sistemas, tales como un sistema central. Algunos lugares
utilizan terminales, otros microcomputadoras, otros incluso grandes sistemas
de computo.
Todos los lugares (reciben el nombre de nodos en el procesamiento distribuido)
tienen la capacidad de capturar y procesar datos en donde ocurran eventos. Si
un lugar especifico usa una minicomputadora, los usuarios capturan y procesan
datos en su minicomputadora. Reciben respuestas rapidas a sus consultas,
almacenan datos en el sistema y preparan reportes cuando se necesitan. Sin
embargo, tambien pueden transmitir datos o reportes desde un sistema a otro
enlazado en la red, compuesta por todos los sistemas interconectados.
Caracteristicas de los Sistemas Distribuidos
El procesamiento distribuido esta intimamente ligado con la comunicación de
datos. De hecho, un sistema de comunicaciones de datos es la columna
vertebral del procesamiento distribuido y el recurso que lo hace utilizable.
Pero la comunicación es solo un aspecto del procesamiento distribuido.
Un sistema de procesamiento distribuido incluye:
Múltiples componentes de procesamiento de proposito general.
Sistema operativo de alto nivel
Distribución fisica de los componentes.
Transparencia del sistema.
Papel dual de los componentes.
Ventajas
Procesadores más poderosos y a menos costos
Desarrollo de Estaciones con más capacidades
Las estaciones satisfacen las necesidades de los usuarios.
Uso de nuevas interfaces.
Avances en la Tecnología de Comunicaciones.
Disponibilidad de elementos de Comunicación.
Desarrollo de nuevas técnicas.
Compartición de Recursos.
Dispositivos (Hardware).
Programas (Software).
Eficiencia y Flexibilidad.
Respuesta Rápida.
Ejecución Concurrente de procesos (En varias computadoras).
Empleo de técnicas de procesamiento distribuido.
Disponibilidad y Confiabilidad.
Sistema poco propenso a fallas (Si un componente no afecta a la
disponibilidad del sistema).
Mayores servicios que elevan la funcionalidad ( Monitoreo, Telecontrol,
Correo Eléctrico, Etc.).
Crecimiento Modular.
Es inherente al crecimiento.
Inclusión rápida de nuevos recursos.
Los recursos actuales no afectan.
Desventajas
Requerimientos de mayores controles de procesamiento.
Velocidad de propagación de información ( Muy lenta a veces).
Servicios de replicación de datos y servicios con posibilidades de fallas.
Mayores controles de acceso y proceso ( Commit ).
Administración más compleja.
Costos.
Categorías de los sistemas Distribuidos.
Modelo de Minicomputadoras.
Varias computadoras que soportan diferentes usuarios cada una y provee
acceso a recursos remotos.
Por lo menos un usuario por cada computadora ( CPU < Usuarios ).
Modelo de Estación de Trabajo.
Varias estaciones (Por lo general cientos), donde cada usuario cuenta con una
estación de trabajo (ET) y realiza en ella todo su trabajo. Requiere de un
Sistema Operativo que soporte funciones de acceso y control remoto.
Un microprocesador por cada usuario ( CPU = Usuarios).
Las estaciones de trabajo cuentan con Interfaces Gráficas, CPU potentes y
Memorias propias.
Modelo microprocesadores en Pooling.
Trata de utilizar uno o más microprocesadores dependiendo de las necesidades
de los usuarios.
Primero los procesadores completan su tarea y posteriormente regresan a
esperar una nueva asignación.
El número de microprocesadores normalmente es mayor a uno por usuario ( CPU
> Usuarios ).
FUNDAMENTOS DE SISTEMAS DISTRIBUIDOS
Concepto, características y factores que han afectado un Sistema
Distribuido.
Ventajas y Desventajas de Sistemas Distribuidos.
Categorias de los Sistemas Distribuidos.
Sistema Operativo Distribuido y sus características.
Complejidad y aspectos que intervienen en el diseño de un Sistema
Operativo Distribuido.
Modelo de Construcción.
Concepto de Sistemas Distribuidos.
Es un concepto poco claro de definir. Colección de elementos de cómputo
autónomo que se encuentran físicamente separados y no comparten una
memoria común, se comunican entre sí a través del intercambio de
mensajes utilizando un medio de comunicación.
Los sistemas autónomos pueden tener características no homogéneas.
Características de los Sistemas
Distribuidos.
Cada elemento de computo tiene su propia memoria y su propio
Sistema Operativo.
Control de recursos locales y remotos.
Sistemas Abiertos (Facilidades de cambio y crecimiento).
Plataforma no standard ( Unix, NT, Intel, RISC, Etc.).
Medios de comunicación ( Redes, Protocolos, Dispositivos, Etc.).
Capacidad de Procesamiento en paralelo.
Dispersión y parcialidad.
Factores que han afectado el desarrollo de
los Sistemas Distribuidos.
Avances Tecnológicos.
Nuevos requerimientos.
Globalización
Aspectos Externos ( Culturales, Políticos, Económicos ).
Integración.
Ventajas y Desventajas de los Sistemas
Distribuidos
Ventajas:
Procesadores más poderosos y a menos costos

Desarrollo de Estaciones con más capacidades

Las estaciones satisfacen las necesidades de los usuarios.

Uso de nuevas interfaces.
Avances en la Tecnología de Comunicaciones.

Disponibilidad de elementos de Comunicación.

Desarrollo de nuevas técnicas.
Compartición de Recursos.

Dispositivos (Hardware).

Programas (Software).
Eficiencia y Flexibilidad.

Respuesta Rápida.

Ejecución Concurrente de procesos (En varias computadoras).

Empleo de técnicas de procesamiento distribuido.
Disponibilidad y Confiabilidad.

Sistema poco propenso a fallas (Si un componente no afecta a la
disponibilidad del sistema).

Mayores servicios que elevan la funcionalidad ( Monitoreo,
Telecontrol, Correo Eléctrico, Etc.).
Crecimiento Modular.

Es inherente al crecimiento.

Inclusión rápida de nuevos recursos.

Los recursos actuales no afectan.
Desventajas:
Requerimientos de mayores controles de procesamiento.
Velocidad de propagación de información ( Muy lenta a veces).
Servicios de replicación de datos y servicios con posibilidades de
fallas.
Mayores controles de acceso y proceso ( Commit ).
Administración más compleja.
Costos.
Categorías de los sistemas Distribuidos.
Modelo de Minicomputadoras.
Varias computadoras que soportan diferentes usuarios cada una y
provee acceso a recursos remotos.

Por lo menos un usuario por cada computadora ( CPU < Usuarios ).
Modelo de Estación de Trabajo.
Varias estaciones (Por lo general cientos), donde cada usuario cuenta
con una estación de trabajo (ET) y realiza en ella todo su trabajo.
Requiere de un Sistema Operativo que soporte funciones de acceso y
control remoto.

Un microprocesador por cada usuario ( CPU = Usuarios).

Las estaciones de trabajo cuentan con Interfaces Gráficas, CPU
potentes y Memorias propias.
Modelo microprocesadores en Pooling.
Trata de utilizar uno o más microprocesadores dependiendo de las
necesidades de los usuarios.
Primero los procesadores completan su tarea y posteriormente
regresan a esperar una nueva asignación.

El número de microprocesadores normalmente es mayor a uno
por usuario (CPU > Usuarios).
Sistema Operativo Distribuido
Extiende el concepto de administración de recursos e interfaces con
el usuario hacia computadoras de memoria compartida para formar un
sistema Operativo Distribuido, el cual consiste en varias
computadoras autónomas conectadas por una red de comunicaciones.
S.O
+
Administración
de Recursos
Remotos
+
Entorno
de Red
Características:
Para cada uno de los usuarios debe de ser similar al trabajo en el
Sistema Centralizado.
Se ejecuta en múltiples Computadoras.
Tiene varias copias del mismo Sistema Operativo o de diferentes
Sistemas Operativos que proveen los mismos servicios.
Transparencia (El uso de múltiples procesadores y el acceso remoto
debe de ser invisible)
Complejidad y Aspectos que intervienen
en el diseño de un Sistema Operativo
Distribuido.
Conocimiento Global.
Se trata de conocer y actualizar el estado global (global Knowledge)
de todos los procesos y recursos del sistema.
Características:
1. Se tiene soluciones mucho más complejas.
2. No se tiene disponibilidad de una memoria global y un reloj
global, no se pueden predecir los retardos y mensajes.
3. Una sola computadora no puede colectar toda la información del
sistema distribuido.
4. Un problema que se presenta es determinar técnicas eficientes
para establecer controles amplios en un sistema descentralizado
y donde una sola computadora no conoce el estado actual y
completo del sistema global.
5. Otro problema significativo se presenta debido a la ausencia de
un reloj global y no permite tener formas de ordenar y controlar
todos los eventos que ocurren en diferentes tiempos y en
diferentes computadoras.
Nomenclatura.
En ese aspecto se utilizan nombres para referirse a los objetos
(Computadoras, impresoras, servicios, archivos y usuarios).
Por ejemplo: El servicio de FTP o el servicio de DNS.
Características:
1. En un servidor de nombres se mapea un nombre lógico a una
2.
3.
4.
5.
dirección física por medio de tablas.
En un Sistema Distribuido los directivos pueden ser replicados y
almacenados en varias lugares para reducir las posibilidades de
fallas e incrementar la disponibilidad del servicio.
Se requiere más capacidad de almacenamiento.
Requiere de sincronización para actualizar los directorios de
cada localización.
Puede utilizarse partición de directorios en lugar de replicación,
pero es mucho más complejo.
Escalabilidad.
Los sistemas crecen con el tiempo y les puede afectar la poca
disponibilidad y la degradación del rendimiento cuando el crecimiento
ocurre.
Compatibilidad.
Se refiere a la interoperabilidad entre los recursos de un sistema.
Generalmente existen 3 niveles de compatibilidad aplicados a los
sistemas.
Nivel binario:
Todos los procesadores ejecutan el mismo conjunto de instrucciones
binarias, sin embargo los procesadores pueden diferir en rendimiento
y su forma de entrada y salida.
Ventajas:
1. Es más fácil el desarrollo de sistemas.
2. No pueden incluirse arquitecturas diferentes de un fabricante o
varios.
3. Es raramente soportado por sistemas grandes.
Nivel Ejecución:
Se presenta cuando el mismo código fuente puede ser compilado y
ejecutado correctamente en cualquier computadora del sistema.
Nivel Protocolo:
Es el menos receptivo de todos ya que se obtiene interoperabilidad
con el simple requerimiento de los componentes de comunicación de
los sistemas, soportan un conjunto común de protocolos por ejemplo
las computadoras individuales pueden ejecutar diferentes Sistemas y
sacrificar su operatibilidad.
Sincronización de Procesos
Es uno de los más importantes a considerar dentro de los sistemas
distribuidos. La sincronización es difícil por la falta de una memoria
común al no conocerse las características de los procesos que se
ejecutan.
Características:
1. Un Sistema Operativo Distribuido tiene que sincronizar los
procesos que se están ejecutando en diferentes computadoras
cuando estas tratan de accesar concurrentemente un recurso
compartido, por ejemplo: un directorio.
2. El recurso compartido debe ser accesado por un proceso a la
vez, a esto se le conoce como mutua exclusión.
3. Cuando se tiene acceso concurrentemente a un recurso
compartido por diversas peticiones no coordinadas de usuarios,
estas deben de seriabilizarse para asegurar la integridad del
recurso.
4. Los procesos deben solicitar recursos locales o remotos y
posteriormente liberados en cualquier orden que puede ser no
conocido.
5. Si la ausencia de asignación de recursos de los procesos no se
controla se puede presentar un " Dead Lock " ( Candado muerto
o recurso bloqueado ) que degrade al sistema.
Administración de Recursos.
Se refiere en hacer que los recursos locales y remotos de una manera
efectiva y fácil. Esta localización de recursos debe ser transparente
para el usuario.
Los recursos deben estar disponibles de la siguiente manera:
Migración de datos:
Los datos son traídos al lugar del sistema donde son necesitados,
pueden llegar a ser desde un archivo ( local o remoto ) o hasta el
contenido de una memoria física.
Características:
1. Si un proceso actualiza un conjunto de datos, la localización original
debe de ser también actualizada.
2. Se utiliza normalmente sistemas de archivos distribuidos que son
componentes que implementan un sistema común de archivos
disponibles para todas las computadoras autónomas del sistema. Su
objetivo principal es proveer la misma capacidad funcional de acceso a
los archivos sin importar su localización dentro de la red. A esto se le
conoce como transparencia.
3. Otro de los elementos utilizados para la migración de datos es la
administración de memoria compartida distribuida. Provee de un
espacio de direccionamiento virtual que es compartido entre todas las
computadoras del sistema distribuido. La mayor complejidad de
implementar memoria compartida distribuida es el mantener la
consistencia de los datos y reducir los retardos en el acceso de los
mismos.
Migración de Cálculos:
Los cálculos procesados son llevados hacia otra localización y puede
ser eficiente bajo ciertas circunstancias, por ejemplo: Cuando se
requiere información de un directorio remoto es más eficiente enviar
el mensaje solicitando la información necesaria y recibiéndola de
regreso.
Planeación Distribuida:
Los procesos son transferidos de una computadora a otra dentro del
sistema distribuido, esto es que un proceso puede ser ejecutado en
una computadora diferente de donde fue originado.
Este proceso de relocalización puede ser deseable si la computadora
donde se origino se encuentra sobrecargada o no posee los recursos
necesarios.
La planeación distribuida es la responsable de todos los procesos
distribuidos que se lleven a cabo entre computadoras sean efectuados
con criterio y transparencia para obtener el máximo rendimiento.
Seguridad
La seguridad de un sistema es la responsable de la integridad del
Sistema Operativo dentro del diseño de un sistema de seguridad se
consideren dos aspectos importantes:


Autentificación: Es el proceso de garantizar que una entidad es
quien debe ser.
Autorización: Es el proceso de decidir que privilegios tiene una
entidad y hacer que solo esos privilegios se encuentren
disponibles.
Estructuración
La estructuración de un sistema Operativo define como están
organizadas sus partes y que comúnmente especifican el
funcionamiento del mismo.
En Sistemas Distribuidos Utilizan normalmente los siguientes métodos
tradicionales de estructuración de un Sistema Operativo.

Núcleo Monolítico: Es el método tradicional de estructurar
Sistemas Operativos, esto se lleva a cabo a través de un gran
núcleo monolítico que contiene todas las funciones y servicios
provistos por el Sistema Operativo. Existen casos entre los
Sistemas Distribuidos donde el uso de un bloque monolítico
grande no es de mucha utilidad para los servicios ofrecidos por
el Sistema Operativo (Estaciones sin disco, estaciones con
medios locales de almacenamiento, estaciones con procesadores
matemáticos específicos, etc.).

Núcleo Colectivo: En esta estructura se tiene una colección de
procesos que son ampliamente independientes unos de otros. Los
servicios del Sistema Operativo ( Administración de memoria
distribuida, sistemas de archivos distribuidos, sincronización
distribuida, procesos RPC, administración de tiempos, etc.) son
implementados como procesos independientes. El núcleo del
Sistema Operativo ( Comúnmente llamado Microkernel ) soporta
la interacción entre los procesos que proveen los servicios al
Sistema Operativo, también provee los servicios típicamente
esenciales para cada computadora tal como la administración de
tareas. El microkernel se ejecuta en todas las computadoras del
sistema, mientras que los otros procesos pueden o no correr
según se requiera.

Sistema Orientado a Objetos: Estos sistemas son
estructurados utilizando el concepto de objetos, donde cada uno
de los servicios son implementados como un objeto del sistema y
que en términos de un ambiente de objeto, se le conoce como
colección. Cada objeto encapsula una estructura de datos y
define un conjunto de operaciones para ese objeto, de manera
que cada uno de estos objetos corresponden a un tipo definido,
por ejemplo: Objetos de procesos, directorios o archivos. Este
modelo se puede cambiar con la estructura colectiva y las
técnicas de separación de funciones y mecanismos