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
1. 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
2. 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
3. Medidfasd de presión ......................................................................91
3.1 Unidades y clases de presión ......................................................................................91
3.2 Elementos mecánicos .................................................................................................92
3.3 Elementos electromecánicos......................................................................................96
3.4 Elementos electrónicos de vacío ............................................................................ 100
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. 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
9. 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
10. 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
11. 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
