Descripción
No es imaginable, en la actualidad, la existencia de una industria moderna sin un completo sistema de instrumentación y control. La medición de los distintos parámetros que intervienen en un proceso de fabricación o transformación industrial es básica para obtener un control directo sobre los productos y poder mejorar su calidad y competitividad. Así pues, el conocimiento del funcionamiento de los instrumentos de medición y de control, y su papel dentro del proceso que intervienen, es básico para quienes desarrollan su actividad profesional dentro de este campo, como por ejemplo el jefe u operador del proceso, el proyectista, el técnico en instrumentos, el estudiante, etc.
A todos ellos se dedica este libro (que en su primera edición fue galardonado en los “Premios Mundo Electrónico”) en el que, en distintos capítulos y de forma ordenada y didáctica, sin grandes alardes matemáticos (aunque sí se necesita una base mínima para comprender algunos aspectos), se trata de los términos y códigos empleados en instrumentación, transmisores, medición y control de presión, caudal, nivel, temperatura y otras variables, elementos finales de control, control automático, control por ordenador, instrumentos inteligentes, errores y calibración de instrumentos, aplicaciones y, finalmente, se dedica un apéndice a los principios básicos del análisis dinámico de los instrumentos.
Índice
Generalidades 1
1.1 Introducción .1
1.2 DeFIniciones en control 3
1.2.1 Campo de medida 4
1.2.2 Alcance 4
1.2.3 Error 5
1.2.4 Incertidumbre de la medida 6
1.2.5 Exactitud . 14
1.2.6 Precisión . 16
1.2.7 Zona muerta 16
1.2.8 Sensibilidad 16
1.2.9 Repetibilidad 16
1.2.10 Histéresis . 17
1.2.11 Otros términos . 18
1.2.12 Ejemplos generales de características de instrumentos 20
1.3 Clases de instrumentos .21
1.3.1 En función del instrumento 22
1.3.2 En función de la variable de proceso 26
1.3.3 Código de identiFIcación de los instrumentos 26
Transmisores . 63
2.1 Generalidades 63
2.2 Transmisores neumáticos .64
2.3 Transmisores electrónicos 65
2.4 Transmisores digitales .66
2.4.1 Transmisor inteligente capacitivo . 67
2.4.2 Transmisor inteligente piezoresistivo 67
2.4.3 Ventajas e inconvenientes 68
2.5 Transmisión de señales por radio 71
2.6 Comunicaciones 72
2.6.1 Protocolos serie 72
2.6.2 Protocolos híbridos 74
2.6.3 Protocolos abiertos 76
2.7 Tabla comparativa de transmisores .88
Medidfasd de presión 91
3.1 Unidades y clases de presión 91
3.2 Elementos mecánicos .92
3.3 Elementos electromecánicos96
3.4 Elementos electrónicos de vacío 100
Medidas de caudal .105
4.1 Medidores volumétricos 106
4.1.1 Instrumentos de presión diferencial 106
4.1.2 Área variable (rotámetros) . 143
4.1.3 Velocidad . 153
4.1.4 Fuerza (medidor de placa) . 161
4.1.5 Tensión inducida (medidor magnético). 162
4.1.6 Desplazamiento positivo . 175
4.1.7 Remolino y vórtex 179
4.2 Medidores de caudal masa . 182
4.2.1 Medidores volumétricos compensados . 182
4.2.2 Medidores térmicos de caudal 185
4.2.3 Anemómetro de hilo caliente .186
4.2.4 Medidor de Coriolis . 189
4.3 Comparación de características de los medidores de caudal 193
Medición de nivel .195
5.1 Medidores de nivel de líquidos 195
5.1.1 Instrumentos de medida directa . 196
5.1.2 Instrumentos basados en la presión hidrostática. 200
5.1.3 Instrumento basado en el desplazamiento 208
5.1.4 Instrumentos basados en características eléctricas del líquido 211
5.1.5 Medidor de nivel de ultrasonidos . 215
5.1.6 Medidor de nivel de radar o microondas . 217
5.1.7 Medidor de nivel de radiación 220
5.1.8 Medidor de nivel láser . 223
5.1.9 Otros fenómenos 224
5.1.10 Medidor másico de nivel . 225
5.2 Medidores de nivel de sólidos . 226
5.2.1 Detectores de nivel de punto FIjo . 228
5.2.2 Detectores de nivel continuos 230
Medida de temperaturas 235
6.1 Introducción 235
6.2 Termómetro de vidrio 236
6.3 Termómetro bimetálico . 236
6.4 Termómetros de bulbo y capilar 237
6.5 Termómetros de resistencia . 240
6.6 Termistores 251
6.7 Sensores de temperatura de semiconductor . 253
6.8 Termopares . 254
6.8.1 Leyes, curvas y tablas características, tubos de protección y su selección . 254
6.8.2 Compensación de la unión fría .294
6.8.3 Circuitos galvanométrico, potenciómetrico y digital . 295
6.8.4 VeriFIcación de un instrumento y de un termopar 297
6.8.5 Normas técnicas 298
6.9 Pirómetros de radiación 299
6.9.1 Pirómetros ópticos de desaparición de FIlamento . 302
6.9.2 Pirómetro de infrarrojos 302
6.9.3 Pirómetro fotoeléctrico 303
6.9.4 Pirómetro de dos colores 305
6.9.5 Pirómetro de radiación total . 306
6.9.6 Otros fenómenos 309
6.10 Velocidad de respuesta de los instrumentos de temperatura . 310
6.11 Tabla comparativa de características 314
Otras variables 317
7.1 Variables físicas . 317
7.1.1 Peso 317
7.1.2 Velocidad . 323
7.1.3 Densidad y peso especíFIco . 326
7.1.4 Humedad y punto de rocío . 338
7.1.5 Viscosidad y consistencia 351
7.1.6 Llama . 359
7.1.7 Oxígeno disuelto . 364
7.1.8 Turbidez 366
7.1.9 Intensidad de radiación solar 367
7.2 Variables químicas 368
7.2.1 Conductividad en medio líquido 368
7.2.2 pH 370
7.2.3 Redox (potencial de oxidación-reducción) . 374
7.2.4 Concentración de gases . 376
Elementos FInales de control .381
8.1 Válvulas de control . 381
8.1.1 Generalidades 381
8.1.2 Tipos de válvulas 382
8.1.3 Cuerpo de la válvula . 388
8.1.4 Tapa de la válvula o casquete 390
8.1.5 Partes internas de la válvula. Obturador y asientos . 395
8.1.6 Corrosión y erosión en las válvulas. Materiales . 396
8.1.7 Características de la válvula . 402
8.1.8 Servomotores 414
8.1.9 Accesorios 435
8.1.10 Válvula inteligente 446
8.1.11 Dimensionamiento de la válvula. CoeÞ cientes Cv y Kv . 447
8.1.12 Ruido en las válvulas de control .485
8.2 Otros elementos Þ nales de control 493
8.2.1 RectiÞ cadores controlados de silicio . 493
8.2.2 Bombas dosiÞ cadoras 496
8.2.3 Actuadores de velocidad variable . 497
8.2.4 Elementos Þ nales varios . 497
Regulación automática 499
9.1 Introducción 499
9.2 Características del proceso 499
9.3 Tipos de control 504
9.3.1 Control todo-nada 504
9.3.2 Control ß otante . 506
9.3.3 Control proporcional de tiempo variable 506
9.3.4 Control proporcional 507
9.3.5 Control proporcional + integral .510
9.3.6 Control proporcional + derivado . 512
9.3.7 Control proporcional + integral + derivado 514
9.4 Controladores neumáticos 515
9.5 Controladores electrónicos . 516
9.5.1 Controlador todo-nada 517
9.5.2 Control proporcional de tiempo variable . 518
9.5.3 Control proporcional . 518
9.5.4 Control proporcional + integral .519
9.5.5 Control proporcional + derivado . 520
9.5.6 Control proporcional + integral + derivado 521
9.6 Controladores digitales 522
9.6.1 Componentes 522
9.6.2 Algoritmos . 524
9.6.3 Controlador digital universal . 527
9.7 Selección del sistema de control 529
9.8 Criterios de estabilidad en el control 530
9.9 Métodos de ajuste de controladores 532
9.10 Otros tipos de control . 545
9.10.1 Generalidades 545
9.10.2 Control en cascada 546
9.10.3 Programadores 550
9.10.4 Control de relación . 551
9.10.5 Control anticipativo . 552
9.10.6 Control de gama partida . 555
9.10.7 Control selectivo . 556
9.10.8 Control de procesos discontinuos . 557
9.10.9 Controladores no lineales . 559
9.10.10 Instrumentos auxiliares . 561
9.11 Seguridad intrínseca y funcional . 563
9.11.1 Introducción 563
9.11.2 Nivel de energía de seguridad y mecanismos de la ignición 564
9.11.3 ClasiÞ caciones de áreas peligrosas . 567
9.11.4 Normas . 568
9.11.5 Barreras Zener . 569
9.11.6 Barreras galvánicas 571
9.11.7 Factores de seguridad . 571
9.11.8 Seguridad funcional de los instrumentos 572
9.12 Control por ordenador . 576
9.12.1 Generalidades 576
9.12.2 Control DDC . 579
9.12.3 Control supervisor (SPC) 581
9.12.4 Control distribuido (DCS) 583
9.13 Sistemas de control avanzado . 590
9.13.1 Generalidades 590
9.13.2 Correctores 595
9.13.3 Control robusto 597
9.13.4 Control linealizador global . 598
9.13.5 Control estadístico del proceso (SPC). 599
9.13.6 Control multivariable 602
9.13.7 Control óptimo . 603
9.13.8 Control adaptativo 606
9.13.9 Control predictivo 610
9.13.10 Sistemas expertos 613
9.13.11 Control por redes neuronales . 615
9.13.12 Control por lógica difusa 619
9.14 Control integrado . 623
9.14.1 Generalidades 623
9.14.2 Sistema de control básico, control distribuido y control avanzado 625
9.14.3 Gestión de alarmas . 627
9.14.4 Sistema de gestión de laboratorio 628
9.14.5 Sistema de gestión de la producción . 629
9.14.6 Red de comunicaciones . 629
9.14.7 Sistema de gestión de seguridad de la planta . 633
9.14.8 Sistema de gestión de la calidad (ISO 9000:2000) . 634
9.14.9 Estándar OPC de intercambio de datos de proceso . 636
9.14.10 Gestión de calibraciones . 638
Calibración de los instrumentos 643
10.1 Generalidades 643
10.2 Errores de los instrumentos. Procedimiento general de calibración 644
10.3 Calibración de instrumentos de presión, caudal y nivel . 647
10.3.1 Presión 647
10.3.2 Caudal 650
10.3.3 Nivel 652
10.4 Calibración de instrumentos de temperatura . 653
10.4.1 Pirómetros de radiación 656
10.4.2 Transmisores de temperatura inteligentes 656
10.4.3 Calibradores universales de temperatura 657
10.5 Calibración de válvulas de control . 657
10.6 Calibración de instrumentos digitales 660
10.6.1 Controlador universal o multifunción . 660
10.6.2 Resto de instrumentos de la planta 661
10.7 Mantenimiento de instrumentos 662
10.8 Normativa de calidad ISO 9000:2000 aplicada a la instrumentación . 666
10.8.1 ISO 9001 667
Aplicaciones en la industria. Esquemas típicos de control .671
11.1 Generalidades 671
11.2 Calderas de vapor . 671
11.2.1 Generalidades 671
11.2.2 Control de combustión 672
11.2.3 Control de nivel 675
11.2.4 Seguridad de llama . 677
11.3 Secaderos y evaporadores 678
11.4 Horno túnel 680
11.5 Columnas de destilación . 681
11.6 Intercambiadores de calor 683
11.7 Control del reactor en una central nuclear 685
Apéndice A. Análisis dinámico de los instrumentos .689
A.1 Generalidades 689
A.2 Funciones elementales de excitación 695
A.2.1 Escalón unidad u(t) 695
A.2.2 Impulso unidad 695
A.2.3 Respuesta impulsional . 695
A.2.4 Respuesta indicial 696
A.2.5 Respuesta ante una entrada en rampa 696
A.2.6 Respuesta ante una entrada senoidal 698
A.3 Análisis dinámico de los transmisores . 702
A.3.1 Elementos fundamentales 702
A.3.2 Diagrama de bloques, diagrama de Bode y función de
transferencia de un transmisor . 702
A.4 Análisis dinámico de los controladores . 705
A.4.1 Introducción 705
A.4.2 Acción proporcional 706
A.4.3 Acción proporcional + integral . 711
A.4.4 Acción proporcional + derivada . 713
A.4.5 Acción proporcional + integral + derivada . 715
A.4.6 Control PID en el diagrama de Nyquist 718
A.4.7 Ensayo de controladores . 719
A.5 Iniciación a la optimización de procesos 722
A.5.1 Generalidades 722
A.5.2 Análisis experimental del proceso 722
A.5.3 Estabilidad . 724
A.5.4 Criterios de ajuste en el diagrama de Bode 725
A.5.5 Criterios de ajuste en el diagrama de Nyquist . 729
A.5.6 Ábaco de Nichols y curva de desviación 736
Apéndice B. Evolución de la instrumentación 741
B.1 Inicios - Instrumentos locales y neumáticos 741
B.2 Instrumentos electrónicos - Convencionales y de alta densidad 742
B.3 Computadores 744
B.4 Control distribuido . 746
B.5 Control avanzado y transmisores inteligentes 748
B.6 Ergonomía . 748
B.7 Comunicaciones . 749
B.8 Futuro 750
Glosario 755
Bibliografía 767