INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL

UNIVERSIDAD LAICA ‘‘ELOY ALFARO’’ DE MANABÍ

FACULTAD: INGENIERÍA INDUSTRIAL

9 ^no ‘‘A’’

GRUPO # 8

INTEGRANTES:

MACIAS DELGADO JEFFERSON ORLANDO
RODRIGUEZ FLORES JHON LENON
RAMIREZ GOMEZ PABLO JOSUE

vídeo de la exposición

INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL

La instrumentación ha permitido el avance tecnológico de la ciencia actual como la automatización de los procesos industriales; ya que la automatización es solo posible a través de elementos que solo pueden censar o transmitir lo que sucede en el ambiente, para luego tomar una acción de control pre-programada que actúe sobre el sistema para obtener el resultado previsto.

Los instrumentos pueden ser simples como transmisores, válvulas, sensores y pueden ser muy complejos como controladores, analizadores y amortiguadores.

La optimización de procesos hace de la instrumentación el conjunto de herramientas que sirven para la medición, la conversión o trasmisión de las variables. Tales variables pueden ser químicas o físicas.

Todos los instrumentos tienen la particularidad de conocer que está pasando en un determinado proceso. Por otro lado los instrumentos liberan al operador de las acciones manuales que realizaban en los procesos industriales. La instrumentación y control de procesos es una especialidad de la ingeniería que combina, distintas ramas, entre las que destacan: sistemas de control, automatización, informática entre otros.

Instrumentación: es el conjunto de ciencias y tecnologías mediante las cuales se miden cantidades físicas o químicas con el objeto de obtener información para su archivo, evaluando y actuando sobre el nivel de sistema de control automático.

Un sistema de control es un tipo de sistema que se caracteriza por la presencia de una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema. La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulación de las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores prefijados.

Un sistema de control ideal debe ser capaz de conseguir su objetivo.

1. Garantizar la estabilidad.

2. Ser eficiente como sea posible.

3. Ser fácilmente implementable y cómodo de operar en tiempo real con ayuda de un ordenador.

Que es la medición?

La medición es comparar a la cantidad desconocida que se quiere determinar y una cantidad conocida de la misma magnitud, elegida como unidad. Teniendo como punto de referencia dos cosas: un objeto (lo que se quiere medir) y una unidad de medida ya establecida ya sea en sistema internacional, sistema inglés o unidad arbitraria.

Que es un instrumento de medición?

Un instrumento de medición es un aparato que se usa para medir las magnitudes físicas de un elemento estandarizado el cual es tomado como referencia para posteriormente asignarle un valor numero mediante algún instrumento graduado con dicha unidad.

Característica de los instrumentos

· Exactitud

Es la capacidad de un instrumento de dar valores de error pequeño.

· Error

Se lo define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero.

· Sensibilidad

Es la relación entre la repuesta del instrumento y la magnitud de la cantidad que estamos midiendo.

· Precisión

Cuanto mayor es la precisión menor es la dispersión de los valores de la medicion alrededor del valor medido.

linealidad

Expresa lo constante que resulta la sensibilidad del sensor o aparato de medida, una sensibilidad constante facilita la conversión del valor leído al valor medido.

· Resolución

Es el menor cambio en la variable del proceso capaz de producir una salida perceptible en el instrumento.

Clasificación de los instrumentos de medición

Existe una gran variedad de instrumentos de medición, por lo tanto se pueden clasificar de diferentes maneras ya sea por medición lineal y angular, medidores directos e indirectos, en este caso se clasifican según su magnitud física.

SENSORES

Los sensores son dispositivos electrónicos con la capacidad de detectar la variación de una magnitud física tales como temperatura, iluminación, movimiento y presión; y de convertir el valor de ésta, en una señal eléctrica ya sea analógica o digital.

Un sensor es un elemento idóneo para tomar, percibir o sensar una señal física proveniente del medio ambiente y convertirla en una señal de naturaleza transducible. Un sensor o captador convierte las variaciones de una magnitud física en variaciones de una magnitud eléctrica o magnética.

En la industria, los sensores son dispositivos encargados de percibir las variables físicas, tales como: presión, temperatura, pH, nivel, flujo, entre otras, controladas por un sistema que sigue una serie de instrucciones para verificar si el proceso está o no está funcionando de acuerdo a la programado.

Estos dispositivos se pueden llamar elementos primarios, ya que se encargan de censar el valor de una variable dependiendo de lo que se esté controlando.

Características de un sensor

Un sensor tiene las siguientes características:

1. Convierte una variable física (por ejemplo, temperatura, distancia, presión) en otra variable diferente, generalmente en una señal eléctrica.

2. Son codificadores (Encoders), efectores, convertidores, detectores, transductores e iniciadores.

3. No siempre generan una señal eléctrica. Ejemplo. Los finales de carrera neumáticos, generan cambios de presión.

4. En procesos controlados, son “preceptores” que supervisan un proceso, indicando los errores, recogiendo los estados y transmitiendo esta información a los demás componentes del proceso.

TRANSMISOR

El transmisor es un instrumento que capta la variable en proceso y la transmite a distancia a un instrumento indicador o controlador; la función primordial de este dispositivo es tomar cualquier señal para convertirla en una señal estándar adecuada para el instrumento receptor, es así como un transmisor capta señales tanto de un sensor como de un transductor.

TIPOS DE TRANSMISOR

TRANSMISORES NEUMATICOS: se basan en el sistema tobera-obturador que, mediante bloques amplificadores con retroalimentación por equilibrio de movimientos o fuerzas, convierte el movimiento del elemento primario de medición a una señal neumática.

TRANSMISOR ELECTRONICO: generalmente utilizan el equilibrio de fuerzas, el desequilibrio da lugar a una variación de posición relativa, excitando un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia o un transformador diferencial.

TRANSMISOR INTELIGENTE: Son aquellos instrumentos capaces de realizar funciones adicionales a la de la transmisión de la señal del proceso gracias a un microprocesador incorporado.

SEÑAL DIGITAL

La señal digital es un tipo de señal en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango.

en este caso la información no se transmite de la misma forma, si no que se utiliza un sistema de códigos binarios (los números 0 y 1) con los que se lleva a cabo la trasmisión bajo una pareja de amplitudes que proporciona grandes posibilidades.

Ejemplo, el interruptor de la luz solo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado, o la misma lámpara: encendida o apagada. Esto no significa que la señal físicamente sea discreta ya que los campos electromagnéticos suelen ser continuos, sino que en general existe una forma de discretizarla unívocamente.

Cabe mencionar que, además de los niveles, en una señal digital están las transiciones de alto a bajo y de bajo a alto, denominadas flanco de bajada y de subida, respectivamente. En la figura se muestra una señal digital donde se identifican los niveles y los flancos.

SEÑAL ANÁLOGA

Es utilizada para llevar acabo la transmisión de elementos de video o sonido. Aunque son señales de tipo continuo hay que decir que su expansión se produce por la entrada en escena de las ondas de tipo senoidal.

Para que las distintas señales analógicas que se transmitan puedan ser interpretadas de una manera adecuada habrá que tener un decodificador que permita cumplir con el proceso de trabajo.

Una de las ventajas del uso de la señal analógica es que hay poco consumo de ancho de banda, mientras que por otro lado es un tipo de acción que se procesa en tiempo real.

Ejemplo: Un ejemplo de sistema electrónico analógico es el altavoz, que se emplea para amplificar el sonido de forma que este sea oído por una gran audiencia.

CONTROLADOR

Son instrumentos que regulan la variable controlada y la comparan con un valor predeterminado. Enseguida ajustan la salida de acuerdo con la diferencia o resultado de la comparación. Con esta comparación se logran acciones correctivas, los controladores también se usan para realizar estrategias de control secuencial. Es aquí cuando reciben el nombre de PLC o control lógico programable.

La forma en que un regulador genera la señal de control se denomina acción de control. Algunas de estas acciones se conocen como acciones básicas de control, mientras que otras se pueden presentar como combinaciones de las acciones básicas.

ACTUADOR (ELEMENTO FINAL DE CONTROL)

El actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control.

Genéricamente se conoce con el nombre de actuadores a los elementos finales que modificar las variables a controlar en una instalación automatizada.

Ejemplo una válvula. Son los elementos que influyen directamente en la señal de salida del automatismo, modificando su magnitud según las instrucciones que reciben de la unidad de control.

Tipos de actuadores:

· Hidráulicos

Son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan sobre la base de fluidos a presión.

· Neumáticos

Convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos.

El fluido de trabajo es básicamente aire (Nitrógeno, Oxígeno y otros gases) comprimido (presión superior a presión atmosférica) por la reducción de volumen del aire mediante un compresor. Cuando el aire se comprime almacena energía. Cuando se libera el aire comprimido, se utiliza para realizar trabajo en el recipiente a ocupar.

· Electrónicos

son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots.

Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos.

EXACTITUD

Es la cualidad de ajustarse o acercarse a lo que se considera verdadero. En las ciencias, la exactitud se refiere a la cercanía que los resultados medidos tienen con respecto al valor de referencia, denominada valor real. Para la estadística, la ingeniería o las ciencias en general, la exactitud es la capacidad de un instrumento para medir el valor cercano a la magnitud real. la calibración de este aparato de medición dependerá de la distancia existente entre la medida de las diversas mediciones y la medida real de la magnitud.

PRESICION

Se utiliza para medir a la repetibilidad de medida, se puede expresar numéricamente mediante medidas de dispersión tales como desviación típica, varianza o el coeficiente de variación.

Se puede decir que es el parámetro asociado con el resultado de una medición, que caracteriza la dispersión de los valores que podrían ser razonablemente atribuidos al valor a medir.

Representa el grado de acercamiento de las medidas de una cantidad al verdadero valor de esa cantidad, es la proximidad entre las indicaciones o los valores medidos obtenidos en mediciones repetidas de un mismo objeto, bajo condiciones específicas.

Ejemplo: la automatización de diferentes pruebas o técnicas puede producir un aumento de la precisión, esto se debe a que con dicha automatización, lo que logramos es una disminución de los errores manuales o su corrección inmediata.

INCERTIDUMBRE

Es el parámetro asociado con el resultado de una medición, que caracteriza la dispersión de los valores que podrían ser razonablemente atribuidos al valor a medir.

el valor de incertidumbre incluye componentes procedentes de efectos sistemáticos en las mediciones y valores que se calculan a partir de funciones de densidades de probabilidad basada en la experiencia u otra información.

ERROR DE MEDIDA

El error de medida va acompañado de un cierto grado de error (incertidumbre), bien por el instrumento o la experiencia de la persona que la realiza. En el caso del instrumento no se puede evitar y es necesario valorar ese grado de error. Cuanto menos sea la interacción humana con la medición, mejor.

ERROR EXPERIMENTAL

Siempre va a existir y depende básicamente del procedimiento elegido y la tecnología disponible para realizar la medición.

ERROR DE EXACTITUD

Es la desviación existente entre la medida de los valores observados y el valor real. Es un error sistemático que puede ser positivo o negativo, equivaliendo al valor que hay que corregir para calibrar el equipo, o sea ajustarlo a su valor verdadero.

SENSIBILIDAD

Nos dice que en un aparato es el valor mínimo de la magnitud que es capaz de medir. Es la capacidad de un instrumento de medida para apreciar cambios en la magnitud que se mide, de tal forma que lo más sensibles son capaces de detectar cambios más pequeños.

Un instrumento de medida es más sensible que otro cuando es más preciso.

REPETIBILIDAD

Es la variación de los resultados de varias mediciones obtenidas con intentos sucesivos (en un corto plazo) y bajo condiciones de mediciones definidas y establecidas. Esta es la variación o habilidad inherente del equipo mismo. Repetibilidad es comúnmente referida como la variación del equipo (VE). De hecho, repetibilidad es una variación de causa común (error aleatorio) de intentos sucesivos y bajo condiciones definidas de medición.

Ejemplo:

La línea continua representa las mediciones con el sistema de medición A. La línea de trazo interrumpido representa las mediciones con el sistema de medición B. El sistema de medición A presenta menos variación, lo que significa que es más repetible que el sistema de medición B.

HISTERESIS

Es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado.

La curva de histéresis muestra la curva de magnetización de un material. Sea cual sea el material específico, la forma tiene características similares.

Tipos de histéresis:

Histéresis en instrumentos: algunos instrumentos presenta un fenómeno de descompensación que existe cuando se hace una comparación entre la variación de una misma medida tanto a nivel descendente como ascendente. Que en realidad debería de tener el mismo recorrido y se expresa en porcentaje.

Histéresis de productos magnéticos: cuando un material ferromagnético, sobre el cual ha estado actuando un campo magnético, cesa la aplicación de este, el material no anula completamente su magnetismo, sino que permanece un cierto magnetismo residual.

RESOLUCIÓN

Es la capacidad para distinguir entre dos puntos muy próximos, aunque un sistema óptico sea totalmente perfecto, sin aberraciones de ningún tipo existe un límite en su resolución debido a que el instrumento tiene un tamaño finito. Este tamaño finito nos producirá la difracción.

Fenómeno por el cual se produce una desviación de los rayos luminosos cuando pasan por un cuerpo opaco o por una abertura de diámetro menor o igual que la longitud de onda.

DERIVA

Es el resultado de un límite y representa la pendiente de la recta tangente a la gráfica de la funcion en un punto. Es uno de los conceptos más importantes en matemáticas. Es una herramienta fundamental en todas las ciencias, incluida la física.

También puede significar la designación de la causa u origen de una cosa, para conocer de donde proviene la etimología de la palabra que nos ocupa. Otros ejemplo ‘‘según la teoría darwiniana, el hombre proviene del mono’’ o ‘‘el plástico deriva del petróleo’’

TRAZABILIDAD

Es un conjunto de acciones, medidas y procedimientos técnicos que permiten identificar y registrar cada artículo, desde su nacimiento o inicio de fabricación, hasta el final de la cadena de suministro (usualmente cuando llega a manos del consumidor).

La trazabilidad se aplica para lograr mejoras en el negocio, como mayor eficiencia en procesos productivos, menores costos y perdidas ante errores, mejor servicio a clientes.

Tipos de trazabilidad:

Interna: obtener la traza que va dejando un producto por todos los procesos internos de una compañía, con sus manipulaciones, composición, la maquinaria utilizada etc.

Externa: externalizar los datos de la traza interna y añadirle algunos indicios mas en caso de ser necesario, como una rotura del embalaje o un cambio en la cadena de temperatura.

RUIDO

Se puede definir como un sonido no deseado que se genera por una superficie en movimiento que se trasmite a través del aire, disminuyendo su intensidad con la distancia y el entorno físico.

Un ruido es todo sonido que puede producir una pérdida de audición, ser nocivo para la salud o inferir en una actividad en un momento dado.

En un principio, los ruidos no son ni positivos ni negativos, solo una sensación subjetiva cuyo nivel de molestia está influido por la calidad, duración y, por supuesto, la tolerancia de cada persona.

Medición del ruido:

Para medirlo se utiliza un sonómetro, equipo que mide la variación de presión que se produce en un punto concreto cuando se propaga la onda sonora, expresado en decibelios (db) y calculado a través de una formula logarítmica.

LINEALIDAD

Es la capacidad de un método analítico de obtener resultados proporcionales a la concentración de analito en la muestra dentro de un intervalo determinado.

Que permite? Permite a los investigadores hacer ciertas suposiciones matemáticas y aproximaciones, permitiendo un cálculo más sencillo de los resultados.

Ejemplo:

En electrónica, un resistor ideal crea una relación lineal entre el voltaje y la corriente. Si duplicas el voltaje, se duplica la corriente, y viceversa. Entonces quiere decir que un resistor ideal es un elemento lineal.

AMPLIFICADOR

Los amplificadores permiten implementar la funcion de control realizando diversas operaciones matemáticas, como sumas, restas, multiplicaciones, derivadas e integrales. De allí su nombre de amplificadores operacionales.

Aparece si la señal de error no posee un nivel adecuado para excitar al componente que sigue. Es usado cuando se requiere que el sistema sea más sensible aun con pequeños errores.

Ejemplo:

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial tensión-tensión cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a su propia especificación aun en un entorno hostil.

CALIBRACIÓN

Es un conjunto de operaciones con la que se establece, en unas condiciones determinadas y especificadas, la correspondencia entre los valores indicado en un instrumento, equipo o sistema de medida y os valores correspondientes a una magnitud de medida o patrón, asegurando así la trazabilidad de las medidas y procediendo a su ajuste si requiere.

Para un instrumento simple (manómetro, termómetro, etc.) el término de calibración se aplica por la comparación de una señal de medida con una señal de referencia conocida.

Para lograr asegurar un correcto funcionamiento de acuerdo a los datos suministrados por el fabricante, es necesario realizar calibraciones correctas. Asimismo, estas calibraciones periódicas son la manera de responder a los requisitos de calidad y garantizar la fiabilidad, incertidumbre y trazabilidad de las medidas.

SISTEMA DE CONTROL

Un sistema de control es un conjunto de dispositivos encargados de administrar, ordenar, dirigir o regular el comportamiento de otro sistema, con el fin de reducir las probabilidades de fallo y obtener los resultados deseados.

Los sistemas de control pueden ser: eléctrico, neumático, hidráulico, mecánico entre otros.

Pero un sistema de control no se establece como tal solo por contar con estos dispositivos, sino que debe seguir la lógica de al menos 3 elementos base:

Una variable a la que se busca controlar
Un actuador
Un punto de referencia o set-point

Ejemplo:

En una operación de control de granel, por ejemplo, la lógica del sistema de control debe utilizar sus 3 elementos. La variable por controlar podría ser el propio producto de granel al depositarse en contenedores industriales.

El punto de referencia o set-point sería el encargado de determinar el límite de llenado, mientras que el actuador, sería el que ejecutaría la acción de llenado, que podría ser una bomba mecánica o eléctrica.

LAZO CERRADO

En este tipo de sistema de control si hay información sobre la variable, incluso retroalimentación sobre los estados que va tomando. La información sobre la variable se obtiene mediante el uso de sensores que son colocados de forma estratégica. Los sensores hacen posible que el proceso sea completamente autónomo.

Ejemplo:

Un ejemplo muy común es el de los aparatos mini-split o aires acondicionados. En estos dispositivos la variable es la temperatura ambiental. Los sensores determinan si debe o no entrar el compresor para enfriar el lugar.

LAZO ABIERTO

En este tipo no existe información o retroalimentación sobre la variable a controlar. Es decir, la salida no depende en absoluto de la entrada. Se utiliza entonces en procesos y dispositivos en donde la variable es predecible y admite un margen de error amplio.

Un ejemplo muy claro es el del semáforo. Este sistema de control es de lazo abierto porque se asigna un tiempo a cada luz, pero no se tiene información sobre el volumen de tráfico.