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Generalidades

• Los procesos industriales requieren control en la fabricación de variados productos.
• Los procesos varían ampliamente, abarcando desde derivados del petróleo hasta la industria textil.
• Es esencial controlar magnitudes como presión, caudal, temperatura, pH, conductividad, velocidad, humedad y punto de rocío.
• Los instrumentos de medición y control optimizan el mantenimiento y regulación de estas magnitudes.
• Inicialmente, el control de procesos se realizaba manualmente con instrumentos simples.
• La creciente complejidad de los procesos ha impulsado la automatización con instrumentos de medición y control.
• Esta automatización ha liberado al personal de campo, permitiéndoles supervisar y vigilar desde centros de control.
• Los instrumentos han facilitado la fabricación de productos complejos con calidad y características estables.
• Los procesos industriales se dividen en continuos y discontinuos.
• En ambos tipos, las variables deben mantenerse en un valor fijo deseado, en un valor variable predeterminado o en relación con otra variable.
• Un sistema de control compara el valor de una variable con un valor deseado y corrige las desviaciones automáticamente.
• Un sistema de control requiere una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso.
• Estas unidades forman un lazo de control, que puede ser abierto o cerrado.

Lazo Abierto y Cerrado

• En lazo abierto, el operador ajusta manualmente una válvula para igualar caudales.
• En lazo cerrado, el sistema mantiene el nivel deseado ajustando automáticamente la válvula de control.
• Los procesos con constantes de tiempo importantes son adecuados para el control en lazo abierto.
• La principal desventaja del lazo abierto es la pérdida de exactitud al no garantizar que la entrada manual sea la adecuada.
• En el arranque de procesos, el control de lazo cerrado puede operar en lazo abierto por parte de operadores expertos.
• El operador puede abrir o cerrar el elemento final de control más allá de lo que haría un lazo cerrado, acelerando la variable.
• En ambos lazos existen elementos definidos como el elemento de medida, el transmisor, el controlador, el indicador, el registrador y el elemento final.
• El control anticipativo (feedforward) combina control de lazo abierto y cerrado para lograr velocidad y exactitud.
• Utiliza un modelo matemático similar a un operador experto y realiza correcciones basadas en los resultados de la variable.
• Un ejemplo es un coche con control de velocidad y radar, que ajusta la velocidad al detectar cambios en la pendiente.

Definiciones en Control

• La instrumentación industrial emplea términos específicos para características de medida y control, así como la estática y dinámica de los instrumentos.
• Indicadores, registradores, controladores, transmisores y válvulas de control.
• Se ha unificado la terminología empleada para facilitar la comunicación entre fabricantes, usuarios y entidades.

Campo de Medida

• Es el espectro de valores de la variable medida dentro de los límites del instrumento.
• Se expresa estableciendo los dos valores extremos.
• La dinámica de medida o rangeabilidad es el cociente entre el valor de medida superior e inferior.

Alcance

• Es la diferencia entre los valores superior e inferior del campo de medida.

Error

• Representa la desviación entre las medidas prácticas y teóricas debido a imperfecciones y variables parásitas: Error = valor leído - valor ideal.
• El error absoluto se calcula como: Error absoluto = valor leído - valor verdadero.
• El error relativo mide la calidad de la medición: Error relativo = Error absoluto / valor verdadero.
• En régimen permanente, existe el error estático, mientras que en condiciones dinámicas el error varía considerablemente.
• El error dinámico, que depende de factores como el tipo de fluido y la velocidad, es la diferencia entre el valor instantáneo y el indicado por el instrumento.
• El error medio es la media aritmética de los errores en cada punto de la medida.
• En mediciones con varios instrumentos, el valor final estará constituido por la suma de los errores inherentes a cada uno de los instrumentos.
• El error total de una medición se suele tomar como la raíz cuadrada de la suma algebraica de los cuadrados de los errores máximos de los instrumentos.

Incertidumbre de la Medida

• Surge al comparar un instrumento con un patrón en la calibración.
• El aparato patrón no permite medir exactamente el valor verdadero, por lo que da lugar a la incertidumbre.
• Fuentes de incertidumbre: condiciones ambientales, lecturas erróneas, variaciones, valores inexactos de los instrumentos patrón y muestra no representativa.
• Es la dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al valor verdadero.
• El patrón de medida debe ser más preciso que el aparato a calibrar (relación 4:1).
• Normas para el cálculo de la incertidumbre ISO/IEC 17025:2005 y G-ENAC-09 Rev 1 Julio 2005.
• En el cálculo de la incertidumbre se usa el término mensurando, que significa: magnitud particular objeto de medición.
• Puede ser medido directamente la temperatura de un cuerpo con un termómetro, o de forma indirecta la medida de la densidad atraves de la relación masa/volumen del cuerpo.
• Hay dos incertidumbres A y B en la medición.
• Las A se relacionan con errores aleatorios, mientras que las B están asociadas a errores sistemáticos.
• Valores t de student son usados para diferentes niveles de confianza y grados de libertad.

Tipos de Incertidumbre

• La evaluación de la incertidumbre A (aleatoria) se efectúa por análisis estadístico de una serie de observaciones independientes, calculando la media aritmética y la varianza experimental.
• La evaluación de la incertidumbre B (sistematica) se basa en la información disponible y exige un juicio basado en la experiencia y conocimientos generales.
• Se asumen las distribuciones rectangular, triangular y normal.

Exactitud

• Es la cualidad de un instrumento de medida para dar lecturas próximas al valor verdadero.
• Es el grado de conformidad de un valor indicado a un valor estándar aceptado.
• Se define como la desviación máxima entre la curva de calibración y una curva especificada.
• Se da en términos de inexactitud y define los límites de los errores cometidos durante un período determinado.
• Se expresa como porcentaje del alcance, en unidades de la variable medida, etc.

Precisión

• Se refiere a la capacidad de un instrumento para dar lecturas muy cercanas entre sí.
• Puede existir gran precisión con una pobre exactitud.

Zona Muerta

• Es el rango de valores de la variable que no produce cambios en la indicación o señal de salida.
• Se expresa como porcentaje del alcance.

Sensibilidad

• Es la razón entre el incremento de la señal de salida y el incremento de la variable que lo ocasiona.
• Se expresa en las mismas unidades del cociente.

Repetibilidad

• Se define como la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice.
• Es sinónimo de precisión.

Histéresis

• Es la máxima diferencia observada en los valores indicados al recorrer toda la escala en ambos sentidos.
• Se expresa como porcentaje del alcance.

Otros Términos

• Campo de medida con elevación de cero: El valor cero de la variable es mayor que el valor inferior del campo.
• Campo de medida con supresión de cero: El valor cero de la variable es menor que el valor inferior del campo.
• Deriva: Variación en la señal de salida durante un período determinado.
• Fiabilidad: Probabilidad de que un instrumento se comporte dentro de límites especificados.
• Resolución: La menor diferencia de valor que el instrumento puede distinguir.
• Resolución infinita: Capacidad de proporcionar una señal de salida progresiva y continua.
• Trazabilidad: Propiedad de relacionar las mediciones con patrones nacionales o internacionales.
• Ruido: Perturbación eléctrica o señal no deseada.
• Linealidad: Aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada.
• Temperatura de servicio: Rango de temperaturas en el cual se espera que trabaje el instrumento.
• Vida útil de servicio: Tiempo mínimo especificado durante el cual se aplican las características de servicio continuo e intermitente.
• Reproductibilidad: Capacidad de reproducción de las lecturas o señales de salida.
• Respuesta frecuencial: Variación con la frecuencia de la relación de amplitudes señal de salida/variable medida.

Ejemplos de Características de Instrumentos

• Termómetro bimetálico: rango (0-100°C), exactitud (±0.5%), histéresis (±0.2%), repetibilidad (±0.1%), incertidumbre (±0.13%).
• Transmisor de caudal digital multivariable: rango (0-2,5 hasta 0-1000 mbar), exactitud (±0.1%).
• Controlador digital universal: entrada por termopar, exactitud (±0,20%), resolución (16 bits), algoritmos de control.

Clases de Instrumentos

• Los instrumentos de medición y control se clasifican según sean relativamente complejos y su función.
• Dos clasificaciones básicas: la primera en función del instrumento, y la segunda con la variable del proceso.

En Función del Instrumento:

• Instrumentos ciegos: No tienen indicación visible de la variable.
• También son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable,
• Instrumentos indicadores: Disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable.
• Instrumentos registradores: Registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular.
• Los registradores sin papel (paperless recorders) tienen un coste de operación reducido, una mejor exactitud y pueden conectar-se a la red local o a un servidor en una red mundial (LAN).
• Los sensores captan el valor de la variable de proceso y envían una señal de salida predeterminada. El sensor es denominado también elemento primario o detector.
• Los transductores reciben una señal, la convierten y modifican en función de su señal de salida. Algunos tpos:relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor
• Los convertidores son los aparatos que reciben una señal de entrada la modifican, la convierten y envían una señal de salida estandar. P/I señal de entrada neumática a señal de salida eléctronica, I/P señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática.
• Los receptores reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada a los valores ya indicados 3-15 psi en señal neúmatica o 4-20mAcc en señal electrónica.
• Los controladores comparan la variable controlada con un valor deseado y ejercen una acción correctiva. La variable contorlads lapueden recibir directamente como contorladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática, eléctrónica o digital.
• El elemento final de control recibe la señal del controlador y modifica su ocsición variando el caudal de fluido. El el ontrol eléctrico el elemento suele ser una varvula motorizada quesuele ser una valvula nemática acciondad por un servomotor électrique o un servomotor neumático que efectúsn su accióm ocmopleta de 3 a 5psi.