Instrumentos y Equipos para el Control y Automatización de Procesos

Industrialmente, los instrumentos se utilizan para monitorear y controlar variables de procesos. Dependiendo del tipo de proceso, se seleccionan los componentes del mismo. A continuación, se muestra un diagrama en bloques de un sistema de control de lazo cerrado o realimentado. No es la única forma de controlar un proceso, pero va a servir para identificar las funciones de los principales instrumentos de campo y panel utilizados para medir y controlar variables industriales.

Aquí, el proceso puede ser físico o una reacción química o conversión de energía. Existen distintos tipos de disturbios que afectan las condiciones del proceso. Estos disturbios crean la necesidad de monitorear y controlar el proceso.

La variable controlada es el parámetro que se desea controlar hasta el valor deseado o referencia (set point). El sensor mide el valor de la variable controlada y el transmisor cambia este valor en una señal normalizada que puede ser transmitida. Esta señal es recibida por distintos componentes, dependiendo de la función de los instrumentos en el sistema, tales como registro, indicación, control y activación de alarmas o enclavamiento.

En el caso del controlador (en este caso, un controlador de procesos), esta señal (variable medida) es comparada con el set point y la diferencia (desviación) sirve para el elemento final de control (comúnmente una válvula) para ajustar el valor de la variable manipulada. Este ajuste hace que el valor de la variable controlada se dirija hacia el de la referencia.

Desde luego, no todos los sistemas de control automático tienen exactamente este modelo (llamado de realimentación); existen variaciones como, por ejemplo, el control prealimentado, el de cascada, el de rango partido, combinaciones sobre estos, etc., basados en instrumentos de tecnologías antiguas o modernas; de todas estas tecnologías.

Sensores

Son los elementos que detectan o sensan cambios en el valor de la variable controlada. A menudo se denominan elementos primarios y, en algunos casos, forman parte de un bloque con el llamado transmisor o aquel que recibe la salida del sensor y adapta esta señal con fines de transmitirla; a este conjunto se le denomina transductor.

En general, la respuesta de un sensor determina cuán bien se va a efectuar la medición, el registro o control de una variable; y su selección es el resultado de conocer bien las características de un proceso. Algunas de las características más importantes de un sensor o transductor que definen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolución, etc. Otro aspecto importante es el denominado tiempo de respuesta o tiempo necesario para que el dispositivo entregue la información final. En la medida en que este retardo se pueda minimizar, se tendrá un mejor control del proceso.

Los retardos de medición implican errores mientras el proceso está cambiando. La medición no es solo tardía, sino también inexacta, debido a que sigue cambiando, aun teniendo ya una lectura disponible. A más lentitud en la respuesta, más inexactitud en la medición cuando sea recibida. Un disturbio de corta duración, sin embargo, puede ser completamente indetectado si su duración es corta comparada con el retardo de medición. En ese caso, probablemente el disturbio tendrá mínimo efecto en el proceso.

La capacidad térmica de un sensor es función de su tamaño, forma y material. La resistencia al flujo de calor, sin embargo, depende de la naturaleza del fluido y de su velocidad. Como ejemplo, la curva de respuesta de una termocupla expuesta colocada en un fluido a temperatura, es una curva exponencial que llega al 83% de su amplitud final en un tiempo menor que al de una termocupla dentro de un termopozo. La diferencia en retardo se debe a la mayor capacidad (aumento de masa) del segundo sensor. En general, para cualquier variable a ser medida, estas consideraciones acerca del tiempo de respuesta son gravitantes en la respuesta de los otros elementos e instrumentos que existen en un determinado sistema de control.

Transmisores

Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor, sea un indicador, un registrador, un controlador o una combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las electrónicas, las cuales han ido reemplazando en el tiempo a las neumáticas como señales aplicadas a estos equipos; las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas cuando existen grandes distancias entre el sensor y el receptor.

Los transmisores neumáticos generan una señal neumática variable linealmente, de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0 -100% de la variable. Esta señal normalizada fue adoptada en general por los fabricantes de transmisores y controladores neumáticos en Estados Unidos. En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0,2-1 kg/cm² que equivale aproximadamente a 3-15 psi (1 psi = 0,07 kg/cm²). Las señales neumáticas mencionadas son aplicadas en la actualidad principalmente como señales de entrada a válvulas de control o a sus posicionadores.

Los transmisores electrónicos generan varios tipos de señales eléctricas de corriente continua y señales digitales. Entre las primeras, las más empleadas son 4-20 mA y 0-20 mA y en panel 1 a 5 V. La señal electrónica de 4 a 20 mA tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisión y la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, está libre de corrientes parásitas, emplea solo dos hilos que no precisan blindaje y permite actuar directamente sobre miliamperímetros, potenciómetros, calculadores analógicos, etc., sin necesidad de utilizar rectificadores ni modificar la señal. El «cero vivo» con el que empieza la señal (4 mA) ofrece las ventajas de poder detectar una avería por corte de un hilo (la señal se anula) y de permitir el diferenciar todavía más el «ruido» de la transmisión cuando la variable está en su nivel más bajo.

Los transmisores electrónicos se pueden catalogar en analógicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analógicos están hoy prácticamente en desuso y, debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

La tecnología actual ha hecho que los transmisores electrónicos no solo incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que además tengan posibilidades de control (PID) sobre el elemento final de control. A estos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre los analógicos. Por otro lado, el empleo cada vez mayor de señales digitales en estos transmisores determinará en algún momento la estandarización de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la señal analógica de 4-20 mA.

Controladores

Tal como se ha comentado, el controlador es el que determina las acciones necesarias para mantener las variables de un proceso en el valor deseado (controlador de procesos) o también puede ser aquel que asegura las secuencias necesarias de producción en base a un programa preestablecido (PLC).

Un controlador de procesos (o regulador) puede ser definido como un dispositivo que compara el valor de una variable medida (señal de entrada) al valor deseado (set point) para producir una señal de salida que mantenga el valor deseado de la variable y usa esa diferencia para manipular la variable controlada. La tecnología de estos equipos ha variado desde neumáticos, hidráulicos hasta electrónicos, que son los empleados actualmente.

Anteriormente, se mostró un típico lazo de control automático con los componentes básicos: el elemento de detección (sensor), el elemento de medición (transmisor), el elemento de control (controlador o regulador) y el elemento final de control (válvula u otro). Es de destacar que dos o más de estos elementos pueden estar formando un solo bloque, pero no es lo más usual.

Durante muchos años se emplearon controladores neumáticos actuando con las señales neumáticas estándares antes mencionadas. Actualmente, se utilizan mayoritariamente controladores electrónicos analógicos y digitales. Los primeros prácticamente ya no se fabrican (aunque todavía se utilizan) y han sido reemplazados por los últimos, los cuales están basados en microprocesadores, que otorgan muchas e importantes posibilidades para el usuario y tienen definitivamente mayores ventajas que sus predecesores.

Elementos Finales de Control

Son aquellos que finalmente responden, dentro de un lazo de control, para realizar un cambio en la variable controlada. En la mayoría de los procesos, las válvulas de control son las usadas, si se trata de controlar variables como flujo, presión, nivel, temperatura o mezcla de componentes. La mayoría de los flujos de fluidos son controlados por válvulas neumáticas o eléctricas; en otros casos se emplean bombas; para servicios de gases a menudo se emplean válvulas especiales y para sólidos es común hablar de fajas transportadoras alimentadas y con control de velocidad electrónico.

Válvula de Control Neumática

Dentro de este grupo se pueden citar algunos dispositivos e instrumentos que realizan otro tipo de funciones como indicadores, registradores, conversores, alarmas e interruptores y elementos de funciones especiales.

En lo que respecta a indicadores, se incluyen elementos que tienen escalas graduadas que pueden ser lineales o no; los indicadores pueden ser analógicos (con aguja indicadora o incluso con barras verticales de diferente color) o digitales que presentan la variable medida en forma numérica.

Los registradores proveen registros continuos de las variables medidas con respecto al tiempo; las cartas registradoras usan esencialmente las mismas escalas que los instrumentos indicadores, pero con una coordenada adicional para indicar tiempo: pueden ser circulares o de cinta y tienen dimensiones variables. Las velocidades de registro varían desde varios minutos por revolución hasta varios días por revolución, en el caso de los registradores con carta circular y entre metros de segundo a centímetros por hora, para los de carta de cinta. Actualmente se dispone también de los llamados registradores inteligentes (basados en microprocesadores) que van mucho más allá de registrar las tendencias de las variables (es posible hacer análisis, reportes, etc.), siendo la tendencia a dejar de emplear papel y más bien guardar los datos en memoria (acción hasta hace poco realizada solamente por los llamados data loggers) y mostrarlos en una pantalla de cristal líquido (LCD) o a través de una computadora.

El desarrollo de controladores electrónicos creó la necesidad de contar con dispositivos que convirtiesen señales de un tipo de energía a otro y de un nivel de señal a otro, como el conversor de corriente a presión para actuar sobre las válvulas neumáticas.

A menudo se requiere convertir señales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemas electrónicos que reciben señales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores que envían señales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizaría un conversor de corriente a corriente, aunque ya hoy en día esto constituye una opción de software y no de hardware, como también ha sucedido con los extractores de raíz cuadrada y otros dispositivos de cálculo debido al desarrollo de la tecnología digital.

Las funciones de alarma e interrupción se utilizan ante condiciones anormales de un proceso. Los dispositivos empleados para estas funciones pueden simplemente indicar o también realizar alguna acción de control. Adicionalmente, se pueden citar otros elementos que se usan en diversas aplicaciones, como por ejemplo, temporizadores, válvulas-solenoide, programadores, etc., cuyo uso va a depender del tipo de control y del proceso mismo.

La primera tarea de un sistema automatizado consiste en obtener la información del proceso que está controlando. El contar con dispositivos e instrumentos que se encarguen entonces de medir correctamente las variables de estos procesos es fundamental para el óptimo control de los mismos.

Existen diversas variables cuyas formas de medición son también muy variadas. Sin embargo, se va a describir principalmente las que son consideradas las más importantes en la mayoría de los procesos industriales: presión, temperatura, nivel y flujo.

Medición de Presión

Existen varias formas de clasificar los elementos o dispositivos medidores de presión. Una de ellas los divide en aquellos denominados de balance de gravedad, los que emplean dispositivos de deformación elástica y los que utilizan elementos que entregan una respuesta eléctrica representativa de la presión medida. El tipo de presión que mayormente se mide en los procesos industriales es la denominada presión manométrica, que es la que tiene como referencia o punto de partida a la presión atmosférica. Para tal fin se emplean medidores llamados manómetros, cuyas escalas están graduadas en diversas unidades. En la tabla siguiente se puede comparar las unidades más importantes:

Dispositivos de Balance de Gravedad

Miden presiones desconocidas, balanceándolas en contra de la fuerza gravitacional de líquidos; a pesar de que son más usados en laboratorio, encuentran aplicaciones en plantas industriales.

Dentro de los más usados se encuentran los manómetros de tubo en «U», los de tubo inclinado, los de cubeta y los de cubeta de tubo inclinado. En estos casos, el líquido manométrico a utilizar es el mercurio, aunque el agua también se usa cuando se trata de medir presiones bajas. Adicionalmente a estos dispositivos, se tienen la de tipo flotador y aquellos con líquido de sello que poco a poco van siendo dejados de lado por otros tipos de medidores.

Elementos de Deformación Elástica

Son dispositivos que alteran su forma cuando son sometidos a presión. Dentro de estos, aparecen los tubos de Bourdon (en «C», en espiral y helicoidal), en donde la forma y tipo de material definen el rango de aplicación; también se utilizan los denominados diafragmas, cápsulas y fuelles, generalmente común en medición de presiones relativamente más bajas que para el caso de los tubos de Bourdon). Estos elementos han sido los más empleados en la fabricación de manómetros.

Transductores Eléctricos de Presión

Cualquiera de los dispositivos de deformación elástica puede ser unido a un dispositivo eléctrico para formar un transductor eléctrico de presión. Estos producen cambios de resistencia, inductancia o capacitancia. Dentro de los primeros se deben mencionar a las galgas extesisiométricas (strain gages). Una galga extensiométrica es simplemente un alambre muy fino formando una grilla la cual está pegada a un papel especial. Cuando la grilla es afectada por la presión, ocurre un cambio de resistencia de acuerdo a la siguiente fórmula:

En donde ? es la resistividad del alambre, L la longitud del mismo y A, el área de la sección recta.

Este tipo de transductor puede ser usado para detectar pequeños movimientos y por lo tanto pequeños cambios de presión. Las galgas extensiometricas utilizan circuitos con puente de Wheatstone para obtener una salida eléctrica. Otro tipo de transductor similar emplea un disco elástico en el cual, el elemento de deformación es de silicio y está sellado en un fluido con silicona y protegido por un diafragma.