El coeficiente de emisión de energía radiante (medida de la característica relativa del cuerpo para emitir energía radiante) depende mucho del estado de la superficie del cuerpo emisor; para un metal como el cobre pasa de 0.10 a 0.85 si el metal perfectamente pulido se recubre bruscamente con una capa de óxido, y lo mismo sucede con un baño metálico liquido.
El pirómetro dirigido sobre una superficie incandescente no nos dará su temperatura verdadera si la superficie no es perfectamente negra, es decir, que absorba absolutamente todas las radiaciones y no refleje ninguna. En los casos generales es preciso hacer una corrección de la temperatura leída (temperatura de brillo S) para tener en cuenta el valor de absorción (o de emisión ) de la superficie.
El pirómetro de radiación total está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa les hace muy sensibles a pequeñas variaciones de la energía radiante, y, además muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiación está ennegrecida, para comportarse como un cuerpo negro, aumentado así sus propiedades de absorción de energía, y proporcionando la f.e.m. máxima.
La f.e.m. que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fria. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de ésta se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro y colocada en su interior de modo que su temperatura es siempre igual a la del cuerpo de éste. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la resistencia de la bobina de níquel, lo que compensa la pérdida de f.e.m. de la termopila que acompaña el calentamiento del cuerpo del instrumento. En los bornes de la termopila va conectado un cable de cobre que llega hasta el instrumento.
La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambientes máximas de 120oC. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua, que disminuyen la temperatura de la caja en unos 10 a 400 C por debajo de la temperatura ambiente. En la medición de bajas temperaturas, la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional que mantiene constante la temperatura de la caja en unos 50oC, valor que es poco más alto que la temperatura ambiente que pueda encontrarse y lo suficientemente bajo como para no reducir apreciablemente la diferencia de temperaturas útil.
El pirómetro puede disponer de los siguientes accesorios:
a) Lente posterior para enfocar correctamente la radiación en la termopila.
b) Dispositivo de refrigeración por aire que protege la lente contra un calentamiento excesivo y al mismo tiempo, la mantiene limpia de los gases o vapores que puedan estar en contacto con el tubo de mira.
Se recomienda que el caudal del aire de purga sea constante, y que su presión no supere los 0.7 kg/cm2. Se utiliza usualmente un pequeño rotámetro con regulador de caudal. De este modo, la atmósfera en contacto con la lente se encuentra libre de gases o vapores que podrían dañar la lente o condensarse en la misma, dando lugar a una disminución de la temperatura leída. Una presión mayor en el aire de purga podría dar lugar a un escape de aire a través de las juntas de la lente, y enfriar la termopila, lo que alteraría la medida.
c) Dispositivo de refrigeración por agua empleado usualmente con el dispositivo de refrigeración por aire. Este accesorio impide que el cuerpo del pirómetro se caliente excesivamente por conducción a lo largo del tubo de mira, o por radiación de otras fuentes.
d) Dispositivo automático de seguridad para aislar la lente del proceso y proteger el pirómetro en el caso de que una llama lo alcance directamente. Consiste esencialmente en una caja estanca provista de un disparador automático mantenido en posición con un hilo fusible; en el caso de una elevación brusca de la temperatura provocada por condiciones peligrosas de la llama, se funde el hilo y el resorte cierra el obturador. El dispositivo incluye adicionalmente un obturador manual intercalado entre el automático y el proceso, que permite cambiar el fusible sin peligro para el operario. La corriente nominal del fusible es de unos 5 A, y puede conectarse a un circuito de alarma luminosa o acústica, o bien, a un circuito de control para disminuir automáticamente el consumo de fuel-oil o gas, al presentarse las condiciones de peligro.
e) Tubos de mira con extremo abierto que se utiliza para proteger la lente, o bien para impedir la llegada de radiaciones de otras fuentes extrañas a las que se está apuntando.
f) Tubos de mira con extremo cerrado que se emplean en hornos con atmósfera a presión, o con gases particularmente agresivos y en las medidas de temperatura de metales fundidos en los que el tubo de mira debe estar sumergido (por la existencia de escorias en la superficie de metal, que darían lugar a una temperatura leída errónea). El fondo del tubo es la fuente de radiación, y las paredes laterales tienen poca influencia. Al ser el tubo cerrado, las condiciones de trabajo se aproximan a las de cuerpo negro.
Los tubos pueden ser metálicos o cerámicos. Los primeros son de acero inoxidable o aleaciones metálicas resistentes al calor y a la corrosión y se emplean a temperaturas que no superan generalmente los 1100oC. Permiten una respuesta más rápida a los cambios de temperatura que los tubos cerámicos. Los tubos cerámicos se utilizan hasta 1650ºC . Los tubos cerámicos más utilizados están formados esencialmente de los materiales: Carburo de silicio y Sillramic.
La relación entre la f.e.m. generada y la temperatura del cuerpo es independiente de la distancia entre el cuerpo y la lente (excluyendo la presencia de gases o vapores que absorban energía) siempre que la imagen de la superficie del cuerpo emisor de la radiación cubra totalmente la unión caliente de la termopila. El fabricante normaliza la relación entre las dimensiones del objeto y su distancia a la lente, para garantizar unas buenas condiciones de lectura. De este modo existen pirómetros de radiación de ángulo estrecho y de ángulo ancho.
Un problema de gran importancia es la selección del material de la lente que debe transmitir la máxima energía compatible con la gama de radiación emitida. Las lentes de pyrex se utilizan en el campo de temperaturas de 850 a 1750o C, la lente de sílice fundida en el intervalo de 450 a 1250oC y la lente de fluoruro de calcio para temperaturas inferiores.
Analizaremos ahora algunos aspectos de la aplicación de los pirómetros de radiación en la medición de temperaturas de cuerpos negros, opacos y transparentes. Un cuerpo opaco emite a una temperatura dada una cantidad de energía de radiación que depende del material y de la forma de la superficie. La medida de la característica relativa del cuerpo para emitir energía radiante recibe el nombre de coeficiente de emisión o emisividad. El cuerpo puede reflejar energía radiante adicional, procedente de cuerpos próximos, llamas, etc., de modo que si tiene un bajo coeficiente de emisión reflejará una gran cantidad de energía incidente, y, al contrario, con un alto coeficiente de emisión la energía reflejada será baja.
El cuerpo negro posee una emisividad igual a la unidad y emite la máxima energía radiante. Los cuerpos cuyo coeficiente de emisión es menor que la unidad se conocen como cuerpos opacos. Si la emisividad del cuerpo es conocida, el instrumento receptor lleva acoplado un pequeño reóstato de ajuste que permite ajustar directamente la lectura a la temperatura exacta del cuerpo caliente.
Al captar la radiación de un cuerpo opaco, la f.e.m. observada en la termopila es menor que la correspondiente a la temperatura verdadera, siendo su relación:
f.e.m. equivalente = f.e.m. observada / emisividad
La energía radiante que emerge de una pequeña abertura en la pared de un recinto calentado uniformemente y con paredes opacas (que tenga o no objetos en su interior a la misma temperatura), tiende a ser radiación de cuerpo negro, ya que la energía que entra o sale de la abertura no se refleja sino que es absorbida a través de las innumerables reflexiones internas. Este es el caso de muchas instalaciones industriales en las que el pirómetro enfoca directamente a una abertura del horno, o al extremo de un tubo de mira cerrado.
Un pirómetro de radiación calibrado para condiciones de cuerpo negro indicará una baja temperatura al enfocar a un cuerpo opaco instalado en el exterior de forma que éste no refleje prácticamente energía radiante de otras fuentes.
Hay que señalar que los coeficientes de emisión de materiales tales como óxido de cobre, óxido de hierro y óxido de níquel son lo suficientemente elevados para medir de forma muy exacta la temperatura sin demasiados errores procedentes de radiaciones parásitas. Sin embargo, los materiales de superficie limpia, tales como aluminio, níquel, acero inoxidable y latón poseen bajos coeficientes de emisión y por consiguiente reflejan un gran porcentaje de energía. En estos casos el empleo de un pirómetro de radiación puede dar lugar a grandes errores, a menos que la medida se efectúe en condiciones controladas. Lo mismo ocurre ante la presencia de una película de aceite y de escoria.
.Los problemas que se presentan para determinar la temperatura verdadera de un cuerpo mediante pirómetros de radiación nos pueden hacer creer que la regulación de temperaturas con estos instrumentos es muy difícil. Sin embargo, hay que señalar afortunadamente que en muchos procesos las condiciones de trabajo son repetitivas; de este modo aunque se desconozcan la emisividad o se presenten radiaciones parásitas o el cuerpo sea transparente se controlará el proceso en condiciones idénticas, es decir, a iguales indicaciones del instrumento, ya que es más importante este punto que la detección de la temperatura real del proceso.
En la industria aumentan, de día en día, las aplicaciones de medición de temperatura que requieren el empleo de pirómetro de radiación para enfocar objetos más pequeños a velocidades mucho más rápidas y con respuesta limitada a pequeñas zonas del espectro. El pirómetro de radiación, por su constitución, genera una señal débil que no permite ser amplificada con amplificadores de c.c. debido a su deriva de cero, por lo cual es necesario aplicar una técnica totalmente distinta: interrumpir cíclicamente la radiación que va del objeto al detector a fin de aplicar técnicas de c.a. con su característica alta estabilidad para amplificar la corriente continua pulsante.
El pirómetro de radiación de termopila, tiene el inconveniente de su baja velocidad de respuesta que no permite la interrupción óptica de alta velocidad, por lo cual se emplean detectores fotoeléctricos de alta velocidad de respuesta.
2.4 Medición de presión
a) Teoría básica
La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada). En el Sistema internacional (S.I.) está normalizada en pascal de acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas 13 y 14 que tuvieron lugar en París en octubre de 1967 y 1971, y según la Recomendación Internacional número 17, ratificada en la III Conferencia General de la Organización Internacional de Metrología Legal. El pascal es 1 newton por metro cuadrado (1 N/m2), siendo el newton la fuerza que aplicada a un cuerpo de masa 1 kg, le comunica una aceleración de 1 m/s2. Como el pascal es una unidad muy pequeña, se emplean también el kilopascal (1 kPa = 10-2 bar), el Megapascal (1 MPa = 10 bar) y el Gigapascal (1 GPa = 10 000 bar). En la industria se utiliza también el bar (1 bar = 105 Pa = 1.02 kg/cm2) y el kg/cm2, si bien esta última unidad, a pesar de su uso todavía muy extendido, se emplea cada vez con menos frecuencia.
La presión puede medirse en valores absolutos o diferenciales.
La presión absoluta se mide con relación al cero absoluto de presión
La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro. A nivel del mar, esta presión es próxima a 760 mm (29.9 pulgadas) de mercurio absolutos o 14.7 psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) y estos valores definen la presión ejercida por la atmósfera estándar.
La presión relativa es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición. Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas.
La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones. El vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica. Viene expresado en mm columna de mercurio, mm columna de agua o pulgadas de columna de agua. Las variaciones de la presión atmosférica influyen considerablemente en las lecturas del vacío.
El campo de aplicación de los medidores de presión es amplio y abarca desde valores muy bajos (vacío) hasta presiones de miles de bar.
Los instrumentos de presión se clasifican en tres grupos: mecánicos, neumáticos, electromecánicos y electrónicos.
a) Manométrica
La presión manométrica mide la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local, esta medición se realiza con un manómetro. Para pequeñas diferencias de presión se emplea un manómetro que consiste en un tubo en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo abierto a la atmósfera. El tubo contiene un liquido, como agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre los niveles del liquido en ambas ramas indica la diferencia entre la presión del recipiente y la presión atmosférica local. Para diferencias de presión mayores se utiliza el manómetro de Bourdon, llamado así en honor al inventor francés Eugene Bourdon. Este manómetro está formado por un tubo hueco de sección ovalada curvado en forma de gancho. Los manómetros empleados para registrar fluctuaciones rápidas de presión suelen utilizar sensores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una respuesta instantánea.
Como la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, hay que sumar ésta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa del manómetro corresponde a un vacío parcial.
Tipos de Bourdon
El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. La ley de deformación del tubo Bourdon es bastante compleja y ha sido determinada empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos.
El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel.
El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de hélice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y por ello, son ideales para los registradores.
El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre sí por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más am- plio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cero del instrumento.
El material del diafragma es normalmente aleaci6n de niquel o inconel x. Se utiliza para pequeñas presiones.
b) Absoluta
Los medidores de presión absoluta consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle sellado al vacío absoluto. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta del fluido. El material empleado para los fuelles es latón o acero inoxidable. Se utilizan para la medida exacta y el control preciso de bajas presiones, a las que puedan afectar las variaciones en la presión atmosférica. Por ejemplo, en el caso de emplear un vacuómetro para el mantenimiento de una presión absoluta de 50 mm de mercurio en una columna de destilación, el punto de consigna seria de 710 mm, con una presión atmosférica de 760 mm. Si la presión atmosférica cambiase a 775 mm el vacuómetro indicaría: 710 + 15 = 725 mm con lo cual la presión absoluta en la columna sería controlada a 50 + 15 = 65 mm, es decir, a un 30 % más de la deseada.
En la medida de presiones de fluidos corrosivos pueden emplearse elementos primarios elásticos con, materiales especiales en contacto directo con el fluido. Sin embargo, en la mayoría de los casos es más económico utilizar un fluido de sello cuando el fluido es altamente viscoso y obtura el elemento (tubo Bourdon, por ejemplo), o bien, cuando la temperatura del proceso es demasiado alta. Tal ocurre en la medición de presión del vapor de agua en que el agua condensada aísla el tubo Bourdon de la alta temperatura del vapor.
Se emplean asimismo sellos volumétricos de diafragma y de fuelle que contienen un liquido incompresible para la transmisión de la presión.
El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.
Hay que señalar que los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración, demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformación algunos millones de ciclos de flexión. El material empleado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresión. Se emplean para pequeñas presiones.
c) Barómetrica
La presión barométrica equivale a la presión atmosférica, la cual se mide con un Barómetro, instrumentos para medir la presión atmosférica, es decir, la fuerza por unidad de superficie ejercida por el peso de la atmósfera. Como en cualquier fluido esta fuerza se transmite por igual en todas las direcciones. La forma más fácil de medir la presión atmosférica es observar la altura de una columna de liquido cuyo peso compense exactamente el peso de la atmósfera. Un barómetro de agua seria demasiado alto para resultar cómodo. El mercurio, sin embargo, es 13.6 veces más denso que el agua, y la columna de mercurio sostenida por la presi6n atmosférica normal tiene una altura de sólo 760 milímetros.
Un barómetro de mercurio ordinario esté formado por un tubo de vidrio de unos 850 mm de altura, cerrado por el extremo superior y abierto por el inferior. Cuando el tubo se llena de mercurio y se coloca el extremo abierto en un recipiente lleno del mismo líquido, el nivel del tubo cae hasta una altura de unos 760 mm por encima del nivel del recipiente y deja un vacío casi perfecto en la parte superior del tubo. Las variaciones de la presión atmosférica hacen que el liquido del tubo suba o baje ligeramente; al nivel del mar no suele caer por debajo de los 737 mm ni subir más de 775 mm. Cuando el nivel de mercurio se lee con una escala graduada denominada nonius y se efectúan las correcciones oportunas según la altitud y la latitud (debido al cambio de la gravedad efectiva), la temperatura (debido a la dilatación o contracción del mercurio) y el diámetro del tubo (por los efectos de capilaridad), la lectura de un barómetro de mercurio puede tener una precisión de hasta 0.1 milímetros.
Un barómetro más cómodo (y casi tan preciso) es el llamado barómetro aneroide, en el que la presión atmosférica deforma la pared elastica de un cilindro en el que se ha hecho un vacío parcial, lo que a su vez mueve una aguja. A menudo se emplean como altímetros (instrumentos para medir la altitud) barómetros aneroides de características adecuadas, ya que la presión disminuye rápidamente al aumentar la altitud.
Barómetro Aneroide
3.1 Modos de control
Control significa: ya sea mantener una variable controlada relativamente constante, ya sea hacerla variar conforme una función de otra variable. El controlador recibe la señal de los captadores de medida, la compara con la señal de consigna y responde a la diferencia entre ambas con una señal de salida hacia los elementos finales de control, los cuales producen la corrección pertinente del proceso.
Los circuitos electrónicos actuales utilizados para obtener los diversos tipos de control hacen un uso amplio del amplificador operacional. Las posibilidades de montaje que ofrece este tipo de amplificador son muy amplias debido a sus características particulares. Es usualmente un amplificador de corriente continua (c.c.) con una ganancia en tensión en bucle abierto normalmente superior a 50 000, que, mediante la conexión de componentes adecuados dispuestos en forma de realimentación positiva o negativa, constituye el ., de los controladores electrónicos. Necesita sólo una corriente de entrada del orden (del los 0.5 nA (0,5 X 10-9 A) para dar lugar a un cambio total en la señal de salida (un valor próximo a la corriente de alimentación).
Las características más importantes del amplificador operacional pueden resumirse en:
La mayor parte de los amplificadores operacionales son amplificadores diferenciales que, en esencia disponen de tres terminales, dos en la entrada y uno en la salida. Una señal de entrada aplicada al terminal denominada , hará que la salida cambie en la misma dirección: el símbolo aplicado es +Ve. Una variación de señal en la otra entrada hará que la señal de salida cambie en dirección inversa. Este segundo terminal se denomina y se represente por el símbolo – Ve.
El símbolo utilizado para representar un amplificador operacional es un triángulo equilátero con su base vertical en la que se conectan los dos terminales de entrada, el superior es el inversor – Ve, y el inferior el no inversor + Ve, mientras que el vértice se acostumbra a situar a la derecha conectándosele el terminal de salida.
Evidentemente, el circuito real del amplificador es más complejo y está rodeado por muchas conexiones que aunque sean necesarias, no intervienen en la función principal del amplificador. Se observará que las conexiones externas son dos alimentaciones +Vs y -Vs y dos componentes de compensación de frecuencia cuya misión es estabilizar el amplificador. Las conexiones internas equivalen a una impedancia de entrada muy grande Zi definida como la relación entre la variación de tensión entre las dos entradas y la variación correspondiente de la corriente de entrada, y a una impedancia de salida Zo equivalente a la relación entre la variación de la tensión de salida y la variación de la corriente de salida correspondiente.
a) On – Off
En la regulación On – Off el elemento final de control se mueve rápidamente entre una de dos posiciones fijas a la otra, para un valor único de la variable controlada. Este tipo de control se emplea usualmente con una banda diferencial o zona neutra en la que el elemento final de control permanece en su última posición para valores de la variable comprendidos dentro de la banda diferencial. El control On – Off funciona satisfactoriamente si el proceso tiene una velocidad de reacción lenta y posee un tiempo de retardo mínimo. Se caracteriza porque las dos posiciones extremas de la válvula permiten una entrada y salida de energía al proceso ligeramente superior e inferior respectivamente a las necesidades de la operación normal.. Es evidente que la variable controlada oscila continuamente y que estas oscilaciones variarán en frecuencia y magnitud si se presentan cambios de carga en el proceso.
El amplificador operacional puede utilizarse como un controlador On – Off muy sensible gracias a la alta ganancia del amplificador. Bastará una pequeña diferencia de señales en la entrada para que se obtenga una salida total en voltios ligeramente inferior a la tensión de alimentación. Como señal de entrada se utiliza la diferencia entre la variable y el punto de consigna y en el terminal de salida se conecta un circuito de excitación del relé final de control. La zona muerta del control On – Off se logra mediante una resistencia conectada en serie con el terminal no inversor del amplificador y con una resistencia conectada entre este último terminal y el de salida del amplificador. Su funcionamiento es el que sigue:
Cuando la señal en el terminal B aumenta unos pocos milivoltios con relación a la del terminal A, la salida Vo aumenta y es realimentada vía la resistencia R2 a la entrada del amplificador, bloqueando éste. El amplificador permanece en estas condiciones gracias al divisor de tensión que forman los terminales B y la salida. Para que las condiciones iniciales se restablezcan, la señal de entrada debe bajar los suficientes milivoltios, con relaci6n al terminal inversor, para compensar el efecto del divisor de tensión R1R2. El valor de la zona muerta depende de la relación R2/R1 y será tanto más pequeña cuanto mayor sea esta relación.
b) Proporcional
En el sistema de posición proporcional, existe una relación continua entre el valor de la variable controlada y la posición del elemento final de control (dentro de la banda proporcional). Es decir, la válvula se mueve el mismo valor por cada unidad de desviación. La ganancia del controlador proporcional es la relación entre la variación en la señal de salida y el error que la produce (diferencia entre la variable y el punto de consigna).
Banda proporcional es el porcentaje de variación de la variable controlada necesaria para provocar una carrera completa del elemento final de control. El valor de la banda proporcional de un instrumento particular, se expresa usualmente en tanto por ciento de su campo de medida total. Por ejemplo, si la escala del instrumento es 200ºC, y se necesitan 50ºC de cambio para provocar carrera total de la válvula, el tanto por ciento de la banda proporcional es 50/200, o sea 25%. En los controladores prácticos la banda proporcional puede variar desde 1 hasta 500% aproximadamente. El control proporcional es un sistema de estabilización potente, capaz de ajuste y aplicación amplísima, pero tiene la característica indeseable del error de offset. El error de offset es la diferencia que hay con respecto al valor deseado o punto de consigna. A continuación se explica como crear un control proporcional utilizando amplificadores operacionales.
Si el amplificador operacional se usa como amplificador analógico de ganancia finita, su alta ganancia da lugar a que la entrada tenga que ser muy débil, casi nula, del orden de 0.2 mV. Para disminuir esta elevada ganancia es necesario realimentar la señal de salida a la entrada inversora –Ve mediante una resistencia Rf y como nos interesará que la señal de entrada tenga un valor distinto de cero, se añade al circuito otra resistencia Ra.
Consideremos ahora que las señales de entrada y salida sean nulas; evidentemente no habrá circulación de corriente a través de las resistencias Rf y Ra. Si ahora la entrada inversora A cambia a + 1 V, la tensión de salida variará en la dirección –Ve hasta que la corriente de entrada del amplificador se reduzca a cero (ya que es un amplificador diferencial).
Esta condición se alcanza cuando:
Si en lugar de variar la señal de entrada inversora A, es la entrada no inversora B la que cambia únicamente en + 1 V, la señal de salida variará positivamente en la dirección + Ve hasta que la realimentación -Ve, a través de la resistencia Rf, aumente la señal en la entrada inversora el mismo valor que la entrada no inversora B. En estas condiciones, la ganancia del amplificador es:
Esta diferencia de ganancias debe eliminarse en las aplicaciones verdaderamente diferenciales. La igualdad de estas dos ganancias se logra mediante un divisor de tensión aplicado a la entrada no inversora B.
Si sólo se utiliza la entrada A y se usa la resistencia Rb para conectar la entrada no inversora a 0 V, la ganancia correspondiente es:
En cualquiera de estos dos casos, se obtendrá un controlador de ganancia variable, es decir, proporcional variando la relación Rf/Ra mediante un potenciómetro con el cursor conectado a la entrada inversora del amplificador operacional.
c) Proporcional + Integral
Si la acción de posición proporcional se combina con la acción integral, es posible compensar las paradas con el movimiento continuo del accionador, que persiste mientras la variable no alcanza el valor de consigna y se debe a la acción integradora.
La velocidad proporcional de la acción integral, añade la ventaja de que la corrección será más rápida cuanto mayor sea la desviación. La acción integral combinada con la acción proporcional se llama: control proporcional + integral.
El efecto de la acción integral es añadir acción correctiva al proceso mientras exista desviación. Esto equivale a variar la consigna gradualmente forzando así al controlador a seguirlo hasta que la consigna original se alcance de nuevo. Cuando aparece una desviación, hay una respuesta inmediata de la acción de posición proporcional de controlador. Esta acción aumenta a velocidad fija, por la acción integral. El número de veces por minuto que la acción de posición proporcional inicial se aumenta por la acción de integración se expresa comúnmente en repeticiones por minuto. Una vez hecho el ajuste de integración de un controlador, la magnitud de esta acción es proporcional a la magnitud de la desviación y al tiempo que se tarda. Esto causa un ciclaje prolongado con cambios rápidos de carga. Por lo tanto los cambios de carga deben ser lentos para esta clase de respuesta. Para control de posición proporcional solamente, la ganancia debe ser lenta para evitar paradas indeseables de la regulación en valores próximos a la consigna. Como la adición de la acción integral elimina estas paradas, la ganancia puede ser menor. De lo anterior se deduce que la acción proporcional + integral es apropiada para procesos con respuesta rápida.
Del mismo modo que la acción proporcional se definía por la banda proporcional o la ganancia, la acción integral viene definida por el denominado tiempo de acción integral, que es el intervalo de tiempo en que, ante una señal de entrada en escalón, la parte de la señal debida a la acción integral iguala a la parte debida a la acción proporcional. También se acostumbra a expresar la acción integral en repeticiones por minuto que es el número de veces por minuto con que se repite la acción proporcional y que es el recíproco matemático de minutos por repetición.
d) Proporcional + Integral + Derivativo
Esta simple combinación soslaya las limitaciones mejor que cualquier otro tipo de control. Contiene la compensación para las constantes de tiempo grandes, en la respuesta inicial lenta de la acción derivada. También combina la respuesta favorable de los controladores de posición proporcional para los cambios de carga pequeños y rápidos con la aplicación de control proporcional integral para cambios de carga grandes y lentos; de este modo las variaciones de carga pueden ser grandes y rápidas.
Por lo explicado podría entenderse que la acción proporcional integral y derivada, debe referirse siempre que se presente el caso de elegir entre: control On – Off, de posición proporcional, proporcional-integral o proporcional-integral-derivada.
La unión en un circuito de los tres controladores da lugar a un instrumento electrónico proporcional + integral + derivativo.
El circuito simplificado consiste en un módulo proporcional + integral – donde se fija la ganancia o banda proporcional, se amplifica la desviación entre la variable y el punto de consigna, se fija el valor del punto de consigna y se selecciona la acción directa o la inversa del controlador – y un módulo de acción derivada modificada donde se encuentra el potenciómetro de acción derivada.
La ecuación correspondiente es:
En otros controladores, el potenciómetro de acción proporcional se encuentra en la salida del segundo amplificador operacional. Los controladores electrónicos suelen disponer además de un conmutador automático-manual con un reóstato para control manual y un circuito de memoria para que el cambio automático a manual se efectúe sin saltos.
En los instrumentos electrónicos, el cambio manual-automático o automático-manual se efectúa sin saltos en la posición de la válvula de control gracias a un circuito de memoria, que mantiene el mismo nivel de potencial antes de la conmutación. En la posición manual el elemento final de control recibe la salida de un potenciómetro de ajuste manual, mientras que en la posición automática la conexión queda establecida en el bloque PID.
3.2 Sintonización de controladores
Existen varios sistemas para sintonizar los controladores al proceso, es decir, para que la banda proporcional (ganancia), el tiempo de acción integral (minutos/repetición) y el tiempo de acción derivada (minutos de anticipo) del controlador, en caso de que posea las tres acciones, se acoplen adecuadamente con el resto de los elementos del bucle de control – proceso + transmisor + válvula de control -. Este acoplamiento debe ser tal que, ante una perturbación, se obtenga una curva de recuperación que satisfaga cualquiera de los criterios mencionados para que el control sea estable, en particular, el de área mínima con una relación de amortiguación de 0.25 entre crestas sucesivas de la onda.
Para que este acoplamiento entre el controlador y el proceso sea posible es necesario un conocimiento inicial de las características estáticas y dinámicas del sistema controlado. Existen dos métodos fundamentales para determinar estas características, el método analítico y el experimental.
El método analítico se basa en determinar el modelo o ecuación relativa a la dinámica del sistema, es decir, su evolución en función del tiempo. Este método es generalmente difícil de aplicar por la complejidad de los procesos industriales y se incorpora a los controladores digitales y al control distribuido, que disponen de la potencia de cálculo adecuada en la determinación de la identificación del proceso y de los parámetros del modelo.
En el método experimental, las características estáticas y dinámicas del proceso se obtienen a partir de una medida o de una serie de medidas realizadas en el proceso real. Estas respuestas del proceso pueden efectuarse de tres formas principales.
1. Método de tanteo (lazo cerrado)
2. Método de ganancia límite (lazo cerrado)
3. Método de curva de reacción (lazo abierto)
Otros métodos de ajuste que se pueden ejecutar automáticamente son el de Nishikawa, el de Chindambara y el de Kraus y Myron, existiendo una búsqueda constante de nuevos métodos gracias al uso amplio del ordenador que permite el análisis del proceso y el ensayo en tiempo real de los valores de las acciones de control.
Método de tanteo. Este método requiere que el controlador y el proceso estén instalados completamente y trabajando en su forma normal. El procedimiento general se basa en poner en marcha el proceso con bandas anchas en todas las acciones, y estrecharlas después poco a poco individualmente, hasta obtener la estabilidad deseada.
Para provocar cambios de carga en el proceso y observar sus reacciones, se mueve el punto de consigna arriba y abajo en ambas direcciones, lo suficiente para lograr una perturbación considerable, pero no demasiado grande que pueda dañar el producto, perjudicar la marcha de la planta o bien crear perturbaciones intolerables en los procesos asociados.
Es necesario que pase un tiempo suficiente después de cada desplazamiento del punto de consigna, para observar el efecto total del último ajuste obteniendo algunos ciclos de la respuesta ante la perturbación creada. En procesos muy lentos ello puede requerir hasta 2 o 3 horas.
Para sintonizar los controladores proporcionales, se empieza con una banda proporcional ancha y se estrecha gradualmente observando el comportamiento del sistema hasta obtener la estabilidad deseada. Hay que hacer notar que al estrechar la banda proporcional, aumenta la inestabilidad y que al ampliarla se incrementa el error de offset.
Para sintonizar los controladores con banda P + I, se procede del siguiente modo:
Con la banda integral 0, o en su valor más bajo, se sigue el procedimiento descrito anteriormente para obtener el ajuste de la banda proporcional hasta una relación de amortiguamiento aproximado de 0.25. Como la acción integral empeora el control y al poseerla el instrumento, su banda proporcional debe ser un poco más alta (menor ganancia del controlador), se aumenta ligeramente la banda proporcional y a continuación se incrementa por pasos la banda integral, creando al mismo tiempo perturbaciones en forma de desplazamientos del punto de consigna, hasta que empiecen a aumentar los ciclos. La última banda ensayada se reduce ligeramente.
Un controlador PI bien sintonizado lleva la variable al punto de consigna rápidamente y con pocos ciclos sin que éstos rebasen o bajen del punto de consigna según haya sido el signo de la perturbación.
Al sintonizar los controladores P + I + D, se procede del siguiente modo:
Con la banda derivada e integral a 0, o al mínimo, se estrecha la banda proporcional hasta obtener una relación de amortiguamiento de 0.25. Se aumenta lentamente la banda integral en la forma indicada anteriormente hasta acercarse al punto de inestabilidad.
Se aumenta la banda derivativa en pequeños incrementos, creando al mismo tiempo desplazamientos del punto de consigna hasta obtener en el proceso un comportamiento cíclico, reduciendo ligeramente la última banda derivada. Después de estos ajustes, puede estrecharse normalmente la banda proporcional con mejores resultados en el control.
Hay que señalar que una acción derivada óptima después de una perturbación lleva la variable a la establización en muy pocos ciclos.
En otra forma de sintonización, para obtener una óptima banda derivada se trabaja primero con una banda proporcional que da lugar a una ligera oscilación (varios ciclos) ante una perturbación, con la acción integral reducida al mínimo. Se aumenta a continuación la acción derivada hasta eliminar el ciclo de la proporcional. Se estrecha de nuevo la acción proporcional hasta que los ciclos se inician, y se aumenta todavía más la banda derivada hasta eliminarlos, continuando con estos pasos hasta que el aumento de la acción derivada no mejore la eliminación de los ciclos producidos. Finalmente se ajusta la acción integral en la forma descrita anteriormente para eliminar el offset.
Si los ajustes efectuados son excesivos, pueden obtenerse las oscilaciones:
– Oscilación proporcional.
– Oscilación integral.
Oscilación derivada.
b) El análisis continuo u ocasional (ante una perturbación o una modificación del punto de consigna) del proceso sin aplicar señales de prueba, sin perturbar, pues, el proceso, pero con el inconveniente de no detectar los cambios lentos del mismo. Se trata de controladores adaptativos.
Secaderos y evaporadores.
Hornos de empuje.
Columnas de destilación.
lntercambiadores de calor.
Aislamiento del sistema de contención mediante una válvula de bloqueo en cada línea que penetra en las paredes del reactor.
Para distinguirlas, se observan las siguientes reglas:
a) La oscilación integral tiene un periodo relativamente largo;
b) La oscilación proporcional tiene un periodo relativamente moderado;
c) La oscilación derivada tiene un periodo muy largo y la variable tarda bastante tiempo en estabilizarse.
Pueden emplearse también otros criterios de sintonización. Estos criterios están basados en la respuesta del lazo de control (abierto o cerrado) a las entradas en escalón, o a las propias perturbaciones del proceso. Incluyen el tiempo de subida (tiempo requerido para que la respuesta a una entrada en escalón alcance del 10 al 90 % del valor final), el tiempo de pico (tiempo que transcurre desde que la variable cruza el valor final hasta que alcanza su primer valor máximo o pico), el tiempo de restablecimiento (tiempo requerido para que la respuesta alcance y se mantenga dentro del 10 al 90 % del valor final), la relación de amortiguación entre picos de la variable de proceso, la integral del error al cuadrado (ISE), la integral del error absoluto (IAE) y la integral del tiempo y del error absoluto (ITAE).
Método de ganancia límite. Este método de lazo cerrado fue desarrollado por Ziegler y Nichols, en 1941 y permite calcular los tres términos de ajuste del controlador a partir de los datos obtenidos en una prueba rápida de características del bucle cerrado de control. El método se basa en estrechar gradualmente la banda proporcional con los ajustes de integral y derivada en su valor más bajo, mientras se crean pequeños cambios en el punto de consigna, hasta que el proceso empieza a oscilar de modo continuo.
Esta banda proporcional se denomina banda proporcional limite (PBU). Se anota el periodo del ciclo de las oscilaciones Pu en minutos, y la última banda proporcional PBu.
Método de curva de reacción. En este método de lazo abierto, el procedimiento general consiste en abrir el bucle cerrado de regulación antes de la válvula, es decir, operar directamente la válvula con el controlador en manual y crear un pequeño y rápido cambio en escalón en el proceso de entrada. La respuesta obtenida se introduce en un registrador de gráfico de banda de precisión con el mayor tamaño posible del gráfico para obtener la mayor exactitud.
En el punto de inflexión de la curva obtenida se traza una tangente lo más aproximada posible y se miden los valores R y L. R es la pendiente de la tangente en el punto de inflexión de la curva, L es el tiempo de retardo del proceso.
El retardo L es el tiempo en minutos que transcurre entre el instante del cambio en escalón y el punto en que la tangente anterior cruza el valor inicial de la variable controlada. (P es el % de variación de posición de la válvula de control que introduce el escalón en el proceso.
Hay que señalar que los procedimientos de ganancia límite y de curva de reacción fueron deducidos empíricamente después de analizar muchos tipos de procesos industriales y ambos se basan en la respuesta del proceso ante una perturbación. Como esta perturbación es provocada, se corre el riesgo de abandonar las condiciones normales de trabajo del lazo de control. Por otro lado, es evidente que las características del proceso no permanecen constantes en todo momento, por lo cual puede ocurrir que los valores de las acciones determinados en unas condiciones de carga dadas se aparten de las bandas convenientes para otras condiciones de carga distintas. De aquí, que es preferible realizar los ensayos en las peores condiciones de carga del proceso para que, de este modo, los ajustes del controlador sean válidos en todas las condiciones de servicio.
Observaciones análogas pueden aplicarse a las bandas determinadas con el método de tanteo debiendo señalar que para afinar los ajustes determinados con los otros dos métodos es conveniente realizar un procedimiento de tanteo adicional.
Métodos de ajuste automático. El instrumento controlador dispone de un algoritmo de autosintonización de las acciones de control que le permite sintonizar con una amplia gama de procesos industriales.
Existen varias formas de realizar la autosintonización:
a) La aplicación de una señal de prueba al proceso, y el análisis de su respuesta con la obtención de un modelo matemático y el diseño analítico del controlador, o bien el uso de las formas del método de ganancia límite de Ziegler y Nichols.
En el primer caso, tal como el método de Nishikawa, Sannomiya, Ohta y Tanaka (1984), el operador envía una señal de prueba y el sistema obtiene un modelo que minimiza la señal de error. Una vez estimadas las características del modelo, lo que precisa un cierto tiempo (tanto mayor cuanto más oscilatoria sea la respuesta), el ordenador calcula los parámetros PID que minimizan el error.
Los métodos de Chindambara (1970) y de Kraus y Myron (1984) están basados en el método de ganancia límite. Analizan la señal de error obtenida ante cambios en el punto de consigna o en la carga del proceso y son fácilmente programables en el ordenador del proceso.
En el método de Chindambara se dan valores aproximados a las acciones del controlador y se aplican las fórmulas siguientes para obtener de forma iterativa los nuevos valores PID.
En el método de Kraus y Myron se intenta obtener el mínimo tiempo de subida fijando limitaciones en el amortiguamiento b/a y en la primera recuperación a/(PC. Las fórmulas de Ziegler y Nichols aplicados al controlador darán un nuevo amortiguamiento b/a y recuperación a/(PC que no deben sobrepasar los límites anteriores. Si lo hacen, el controlador varía su ganancia para cumplir con esta condición y, por lo tanto, calcula nuevos valores de TI y TD.
Si al aplicar estos métodos el proceso entra en oscilación, la perturbación consiguiente puede invalidar la aplicación, si el proceso no lo permite.
El ordenador puede utilizarse (por ejemplo, dentro del control distribuido) para ajustar las acciones de control con técnicas , que trabajan con modelos dinámicos del proceso, y con técnicas , que identifican la dinámica del proceso con la planta en operación. El ordenador realiza los cálculos, verifica lo que ha hecho el operador y realiza los ajustes en el controlador.
El ordenador personal también puede utilizarse (con el software adecuado) en el análisis y ajuste del lazo de control. El programa obtiene datos de la variable de proceso a partir de la respuesta en lazo cerrado a un escalón o impulso y guarda los valores de la variable medida y de la señal de salida del controlador en ficheros ASCII, tipo Lotus o Notebook o similares. Analizando estos datos, calcula los valores de las acciones P, PI, PD o PID del controlador.
En los controladores analógicos neumáticos o electrónicos, el ajuste de los valores de las acciones se realiza en diales de pequeño diámetro con graduaciones muy separadas, con lo cual la precisión del ajuste no supera + 15% del valor seleccionado. Por el contrario, los controladores digitales permiten ajustes exactos y repetitivos, lo que es indudablemente una ventaja, si cualquier aparato es sustituido por razones de mantenimiento.
3.3 Aplicaciones de los controladores
Este tema tiene por objeto presentar varias aplicaciones típicas en la industria. Algunas de las operaciones de proceso que se controlan con mayor frecuencia son:
– Calderas de vapor.
Calderas de vapor
Las calderas de vapor se utilizan en la mayoría de industries debido a que muchos procesos emplean grandes cantidades de vapor. La caldera se caracteriza por una capacidad nominal de producción de vapor en t/h a una presión especificada y con una capacidad adicional de caudal en puntas de consumo de la fábrica.
A la caldera se le exige, pues, mantener una presión de trabajo constante para la gran diversidad de caudales de consumo en la factoría por lo cual debe ser capaz de:
a) aportar una energía calorífica suficiente en la combustión del fuel-oil o del gas con el aire;
b) desde el punto de vista de seguridad, el nivel debe estar controlado y mantenido dentro de unos limites;
c) es necesario garantizar una llama segura en la combustión.
d) el sistema de control debe ser seguro en la puesta en marcha, en la operación y en el paro de la caldera.
e) el funcionamiento de la caldera debe ser optimizado para lograr una rentabilidad y economía adecuadas, lo cual es posible con un control digital y/o distribuido que permite optimizar la combustión (ahorros de 2 a 10 % en combustible) y ganar en seguridad
Control de combustión
La regulación de la combustión se basa en mantener constante la presión de vapor en la caldera, tomándose sus variaciones como una medida de la diferencia entre el calor tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado.
El controlador de la presión de vapor ajusta la válvula de control de combustible. La señal procedente del caudal de aire es modificada por un relé de relación para ajustar la relación entre el aire y el combustible, y pasa a un controlador que la compara con la señal de caudal de combustible. Si la proporción no es correcta, se emite una señal al servomotor de mando del ventilador o a la válvula de mariposa, de modo que el caudal de aire es ajustado hasta que la relación combustible-aire es correcta.
En la regulación de la combustión puede darse preferencia en el mando al combustible o al aire para que la operación de la caldera corresponda a un sistema determinado de variadas características de seguridad. Estas características de combustión son las siguientes:
* Caudal fuel – caudal aire en serie.
* Caudal aire – caudal fuel en serie.
* Presión de vapor – caudal fuel /caudal vapor – caudal aire en serie.
* Caudal aire – caudal fuel en paralelo.
Caudal fuel – caudal aire en serie
En el primer esquema de funcionamiento, el controlador de presión ajusta el punto de consigna del controlador de caudal de fuel y esta variable actúa a través del relé de relación fuel-aire, como punto de consigna del controlador de aire. Como las variaciones del caudal de fuel influyen lentamente en la señal de presión de vapor, el controlador maestro se ajusta para una respuesta rápida ante cambios en la presión. En esta disposición si varia la presión del vapor, el caudal de fuel cambia antes que el del aire de combustión. Si se limita el caudal de fuel, 1ógicamente quedará también limitado el caudal de aire. La desventaja principal del sistema es el riesgo de explosión que se presenta ante un fallo de aire en el punto de consigna del controlador de caudal de aire; si así ocurre no hay aire de combustión pero el fuel continua circulando.
Caudal aire – caudal fuel en serie
Aquí la señal de aire ajusta a través del relé de relación el controlador de fuel. El sistema es más seguro que el anterior ya que elimina la posibilidad de formación de una mezcla explosiva cuando falla la señal de aire de combustión.
Una variante de este sistema consiste en utilizar un controlador de carga de la caldera a la salida del maestro de presión (común a varias calderas). La salida del controlador de carga es dirigida a dos selectores de máxima y de mínima, lo que permite: ante un aumento de la demanda de vapor la señal pasa al controlador de aire, sin que el fuel o el gas aumente hasta que no lo ha hecho el aire; si la demanda de vapor disminuye, el fuel disminuye el primero y luego lo hace el aire; y si la señal de aire falla el caudal de fuel-oil baja a cero automáticamente.
Presión de vapor – caudal fuel en serie/caudal vapor – caudal aire en serie
Existe otro sistema que se caracteriza por mantener con más seguridad la relación correcta aire-fuel aunque el fuel no sea medido correctamente. El controlador de presión de vapor ajusta el controlador de caudal de fuel. El transmisor de caudal de vapor ajusta el controlador de caudal de aire al sistema de control de combustión. Aunque las variaciones de caudal de vapor sean rápidas, las fluctuaciones que experimenta no lo son tanto como la presión de la línea de vapor principal. Este sistema se emplea con preferencia en calderas de carbón pulverizado.
Caudal aire – caudal fuel en paralelo
La ventaja principal de este sistema, que puede verse en la figura, es su control directo en el fuel y en el aire. De hecho, para mantener una relación correcta fuel-aire conviene incorporar al sistema un relé de relación manual.
Control de nivel
La regulación del agua de alimentación que establece el nivel de la caldera depende de múltiples factores, del tipo de caldera, de la carga, del tipo de bomba y del control de presión del agua de alimentación.
El sistema de control del agua de alimentación puede realizarse de acuerdo con la capacidad de producción de la caldera. En la regulación de nivel de un elemento representada en la figura el único instrumento utilizado es el controlador de nivel que actúa sobre la válvula del agua de alimentación. El instrumento medidor de nivel puede ser del tipo desplazamiento o de presión diferencial de diafragma.
En calderas de pequeña capacidad, inferior a 1000 kg/h, la regulación puede ser todo-nada, con dos alarmas de nivel alto y bajo que ponen en marcha la bomba de alimentación del agua.
En calderas de capacidad media, del orden de 2000-4000 kg/h, puede utilizarse un controlador de flotador con un reóstato acoplado eléctricamente a una válvula motorizada eléctrica. Este conjunto actúa como un control proporcional con punto de consigna el punto medio del campo de medida del nivel de flotador.
La regulación de nivel de dos elementos se logra con un controlador de caudal de vapor y un controlador de nivel cuyas señales de salida se comparan en un relé de relación que actúa directamente sobre la válvula de control del agua de alimentación. En la figura, puede verse este sistema de control. De acuerdo con la demanda de caudal de vapor hay una aportación inmediata de agua de alimentación a través del controlador secundario de nivel. Este último es utilizado solamente como reajuste de las variaciones que pueden producirse con el tiempo en el nivel de la caldera.
La regulación de tres elementos elimina el fenómeno de oscilación del nivel de agua que se produce cuando el caudal de vapor crece o disminuye rápidamente.
Cuando el caudal de vapor aumenta bruscamente, la presión baja, con lo que se produce una vaporización rápida que fuerza la producción de burbujas y agua, lo que da lugar al aumento aparente de nivel de la caldera. La oscilación es opuesta a la demanda y el fenómeno es importante en calderas de cierta potencia y volumen reducido, sujetas a variaciones de caudal frecuentes y rápidas.
La oscilación es opuesta a la demanda y el fenómeno es importante en calderas de cierta potencia y volumen reducido, sujetas a variaciones de caudal frecuentes y rápidas.
Las tres variables que intervienen en el sistema son:
– Caudal de vapor.
– Caudal de alimentación de agua.
– Nivel de agua.
Para que las condiciones de funcionamiento sean estables, el caudal de vapor y el de agua deben ser iguales y de forma secundaria, el nivel de agua debe reajustarse periódicamente para que se mantenga dentro de unos límites determinados (normalmente son de unos 50 mm por encima y por debajo de la línea central de la caldera). Manteniendo estas funciones en las tres variables, los instrumentos correspondientes pueden estar relacionados entre si de varias formas. Las más representativas se muestran en la siguiente figura en las que una señal anticipativa (feedforward) del caudal de vapor, se superpone al control de nivel, y todas tienen por objeto dar prioridad a las diferencias entre los caudales de agua y de vapor frente a las variaciones del nivel que pueden producirse ante una demanda súbita, es decir, el sistema de control en estas condiciones actúa obedeciendo a la diferencia relativa de caudales con preferencia a los cambios en el nivel.
Señalemos que la medida del caudal de vapor se efectúa preferentemente con una tobera porque su forma suave evita la erosión que de otra forma se produciría en una placa de orificio por causa de las gotas de agua que inevitablemente arrastra el vapor. El caudal de agua de alimentación puede medirse a través de una placa de orificio o de una tobera.
Seguridad de llama
Exceptuando las calderas de muy pequeña capacidad, el elemento detector utilizado universalmente es el ultravioleta por la gran seguridad que ofrece. El relé de llama conectado al detector puede adoptar muchas formas, desde la más sencilla alarma y paro de la caldera hasta realizar funciones de:
* prebarrido, es decir, limpieza de los gases que pueden haberse acumulado desde la última combustión;
* encendido de la llama piloto;
* encendido de la llama principal;
* paro de la instalación según un enclavamiento secuencial en el que intervienen los elementos: fallo de llama, presóstato de baja presión de fuel o gas, alarma de nivel de la caldera, etc.;
* postbarrido, fase en la que se limpian los gases quemados.
El circuito de llama (detector + relé) dispone además de una comprobación de su propio circuito en el arranque de la caldera, lo cual es suficiente en las industrias que paran una vez a la semana. Si el proceso es continuo y la caldera debe trabajar sin paros durante periodos prolongados, aumenta el riesgo de coincidencia entre el fallo del sistema de seguridad y la presencia de grandes cantidades de combustible sin quemar. Se recomienda utilizar un detector ultravioleta que permite autocomprobar cada segundo el circuito electrónico del sistema de llama. Se consigue mediante una placa que corta periódicamente la radiación de la llama hacia el detector, momento en el cual se autocomprueba el circuito. Cualquier fallo detectado hace parar la instalación.
Secaderos y evaporadores
Los secaderos tienen por objeto obtener el producto sólido con poca humedad, mientras que los evaporadores concentran el producto en forma liquida al evaporar el agua.
Entre los diversos modelos de secaderos se encuentra el secadero continuo de evaporación rápida (flash) que transporta el producto en una corriente de aire caliente y en muy poco tiempo disminuye su humedad hasta el valor final. Como es difícil medir directamente la humedad del producto en forma continua se controla en su lugar la temperatura variable que depende indirectamente de la humedad. En la siguiente figura se encuentra un esquema de este secadero con los instrumentos de control correspondientes. El producto en forma de polvo húmedo entra en el circuito después del homo y se seca durante el recorrido por el tubo vertical.
El control suele ser en cascada, siendo la variable primaria la temperatura de salida y la variable secundaria la temperatura después del horno. El control es normalmente PID.
El quemador del horno tiene controles auxiliares, tales como vigilancia de llama, válvula autorreguladora de presión para inyectar vapor al fuel-oil y pulverizarlo, válvula de solenoide con rearme manual para cerrar el paso del combustible, presostatos y termostatos para alarma de máxima y mínima presión y de temperatura. El conjunto forma parte del circuito de enclavamiento de la instalación.
Otro tipo de secador es el rotativo, que consiste en un cilindro de gran longitud en cuya entrada se introduce el producto húmedo y a cuyo través circula aire caliente. En la siguiente puede verse un esquema del control del proceso observándose que, análogamente al secadero de evaporación rápida, el control suele ser en cascada PID.
Otro tipo de secador es el de doble cilindro rotativo, representado en la siguiente figura que fue uno de los primeros sistemas que se empleó para secar. Consiste en dos cilindros rotativos calentados con vapor que giran en sentidos opuestos hacia adentro muy poco separados y arrastrando una película del producto. Los cilindros se cargan con producto que se seca en el corto espacio existente en el rodillo hasta una cuchilla que lo arranca y cae en un transportador. El único control automático que se aplica es la regulación de presión de vapor.
Los evaporadores existen en muchos tamaños, formas y tipos. El evaporador , discontinuo es de producción forzosamente limitada por la necesidad de las operaciones de llenado y de vaciado. En cambio, el evaporador continuo tiene una producción más regular. Según el número de veces que la solución es calentada por la fuente de calor se tienen varios tipos: evaporador de simple efecto, de doble efecto y de triple efecto e incluso de más efectos si bien los más comunes son los dos ú1timos.
En la siguiente figura se representa un evaporador de un solo efecto. Se establece un caudal fijo de vapor a la calandria, se controla el nivel del evaporador variando la entrada del producto, y se regula la concentración midiendo la elevación del punto de ebullición, es decir, la diferencia de temperaturas entre el liquido en ebullición en el evaporador y el condensado a la misma presión absoluta, y actuando sobre la salida del producto. Otras formas de medir la concentración están basadas en la conductividad, en la presión diferencial y en la radiación gamma, pero excepto este último tienen el problema de la posible obturación del elemento. Se controla asimismo la presión absoluta en el cuerpo del evaporador, actuando sobre la entrada de aire o bien sobre la entrada del agua que va al condensador barométrico caso de utilizar este sistema para generar el vacío.
En la siguiente figura puede verse la regulación de un triple efecto. Excepto el primer efecto, los otros dos se calientan con el vapor del producto generado en el efecto anterior. Debido a su gran capacidad y a la lentitud con que se establecen nuevas condiciones en el proceso, el sistema de control se escoge de modo que se mantengan condiciones fijas y se disminuyan al mínimo los efectos de cambios de carga exteriores al proceso. Los instrumentos de control son similares a los del evaporador de un solo efecto.
Horno túnel
Los instrumentos de regulación y control forman parte integral de los equipos de proceso de la industria cerámica y en particular constituyen una necesidad en el proceso de cocción de los productos cerámicos realizado en un horno túnel.
Los procesos de cocción del bizcocho y del bizcocho recubierto de esmalte se basan en el mantenimiento de una curva de cocción que establece un programa preciso de temperatura distribuida de acuerdo con las tres zonas típicas del horno: precalentamiento, cocción y enfriamiento. La carga es transportada en vagonetas a una velocidad determinada y las temperaturas se regulan básicamente en la zona de cocción donde se encuentran situados los quemadores de combustible y los valores deseados en la zona de precalentamiento se alcanzan mediante la circulación de aire caliente procedente de la zona de enfriamiento.
Estas temperaturas corresponden a las zonas del horno, ya que salvo casos muy especiales, es difícil medir directamente la temperatura de las piezas. De todos modos, debido al tiempo que las piezas pasan dentro del horno puede admitirse que en la última zona, donde no absorben prácticamente calorías, su temperatura es muy próxima a la de las paredes.
La medida de la temperatura se efectúa con termopares de cromel-alumel o de platino platino-rodio, según sean las temperaturas alcanzadas y con fundas cerámicas de mullita sílice-alumínica o de aluminio recristalizado (nótese que las temperaturas máximas de trabajo de los termopares de cromel-alumel y platino- platino-rodio son de 950-1200o C y de 1400oC, respectivamente).
Esquema de la regulación de un horno túnel típico
Los reguladores actúan o bien sobre una válvula de solenoide, o bien sobre válvulas neumáticas. La zona de cocción puede dividirse en varias zonas de control y cada una suele estar regulada independientemente por un regulador todo-nada, o flotante, o bien por un regulador proporcional o proporcional + integral o proporcional + integral + derivativo.
En el horno túnel es también importante la regulación del tiro al mantener una distribución uniforme de temperaturas en cada sección del horno. Las dos tomas del controlador de tiro se conectan en lados opuestos en la entrada o salida de la zona de encendido que es la posición que usualmente da los mejores resultados. El controlador actúa sobre el ventilador de salida del aire manteniendo así el tiro deseado.
Columnas de destilación
La operación de destilación consiste en separar una mezcla por diferencia de composición entre un liquido y su vapor. Esta operación se realiza en forma continua en las denominadas columnas o torres de destilación donde por un lado asciende el vapor del líquido hasta salir por la cabeza de la columna y por el otro va descendiendo el liquido hasta llegar a la base. En estos pasos tiene lugar una mezcla entre las dos fases, de tal modo que pueden efectuarse extracciones a distintos niveles de la columna para obtener productos más o menos pesados.
Los problemas de la destilación son muy diversos, por lo cual los tipos de columnas lo son también. Analizaremos una columna típica de funcionamiento continuo que está representada en la siguiente figura:
Las variables importantes que regulan el funcionamiento de la columna son la presión en la cabeza de la columna, el caudal, la composición y la temperatura de la alimentación, el calor añadido y las calorías extraídas y los caudales de destilado y de producto extraídos en la base.
La presión en la columna se regula mediante un controlador de presión en cascada con un controlador de caudal de los gases incondensables que escapan del condensador, si bien también podría efectuarse con el regulador de presión actuando directamente sobre la válvula de gases incondensables.
El caudal de la alimentación se regula con un controlador de caudal que mantiene un caudal constante, gracias a una banda proporcional bastante estrecha (alta ganancia).
La composición de la alimentación tiene una gran importancia en el funcionamiento de la columna. Sin embargo, es difícil ajustar esta composición de modo que es necesario actuar sobre la columna cuando se presentan cambios en la composici6n de la alimentación. Entre los analizadores, el cromatógrafo es el más utilizado.
La temperatura de la alimentación es también importante. Al objeto de controlarla se emplea un intercambiador de calor con vapor. La temperatura se regula en cascada con el caudal del vapor.
El calor añadido en la columna se efectúa a través de un intercambiador de calor instalado en la base o en un plato intermedio de la columna. Un controlador de caudal de vapor ajusta estas calorías aportadas. Como complemento se instala un controlador de nivel en la base de la columna que lo ajusta mediante una válvula de control que actúa sobre la extracción.
Las calorías extraídas tienen lugar en el condensador de los gases que salen de la cabeza de la columna. Un controlador de caudal de agua de refrigeración del condensador ajusta estas calorías.
El caudal de destilado se ajusta mediante un controlador de nivel del condensador, en cascada con un controlador de caudal en la extracción.
El caudal de producto extraído en la base está relacionado con el calor añadido en la columna y tal como se ha indicado esta regulado indirectamente por el controlador de nivel de la base de la columna.
Es obvio que las variables que influyen en el funcionamiento de la columna de destilación son muy diversas y que cada una de ellas, si varía, actúa como una perturbación en todo el proceso, por lo cual existen formas variadas de control, derivadas de la estudiada, que cada vez son mis complejas, siendo la última la optimización mediante computadora que se aplica siempre que los estudios económicos así lo aconsejen.
lntercambiadores de calor
La gran mayoría de los procesos industriales emplean intercambiadores de calor en operaciones tales como precalentamiento, pasteurización, esterilización y refrigeración, entre otras.
Existen varios sistemas para el control de los intercambiadores de calor debido a que son muchos los factores que deben considerarse: la presión del vapor o del fluido de alimentación, las fluctuaciones en el caudal del producto, las variaciones en la temperatura del producto, en su calor especifico, los retardos del proceso, etc.
Un esquema de control simple con un controlador de temperatura actúa directamente sobre la válvula de vapor.
En otro sistema se regula la extracción de condensado, es decir, indirectamente el nivel de condensado en el serpentín de vapor, mediante un controlador de temperatura del producto que manda una válvula de control en la línea de salida del condensado. Como ventajas, el sistema ofrece con relación al anterior la eliminación de los problemas de purga del condensado al mantenerse constante la presión de vapor dentro del serpentín y el empleo de una válvula de control más pequeña.
Sin embargo, el control óptimo de temperatura deja mucho que desear ya que si disminuye el caudal del producto, el controlador de temperatura manda cerrar la válvula y el serpentín tarda cierto tiempo en llenarse del condensado del vapor con el resultado de una considerable lentitud en la respuesta del sistema para acomodarse a las nuevas condiciones. En cambio, lo contrario, es decir, el aumento del caudal del producto tiene una respuesta rápida ya que al abrirse la válvula de control, el serpentín se vacía rápidamente.
Una variante del sistema anterior que se aplica cuando la presión del condensado es baja y existen problemas en su eliminación, es la sustitución del purgador clásico del condensado por un control de nivel del condensado.
La temperatura del producto continúa siendo regulada por un controlador convencional actuando sobre la válvula de vapor.
Otro sistema es el control en cascada entre el controlador de temperatura como primario y un controlador de presión de vapor como secundario. De este modo, las variaciones de presión del vapor de la línea de alimentación son corregidas inmediatamente por el controlador de presión secundario y el controlador de temperatura primario se encarga de compensar las variaciones de temperatura por otras causas.
El control en adelanto (feedforward), combinado con el control clásico de realimentación, también puede aplicarse a un intercambiador de calor, en particular cuando su operación es crítica y se necesita un control estable con una recuperación rápida ante las perturbaciones, que compense el coste elevado de la instrumentación implicada. En la siguiente figura se muestra este control pero utilizando una computadora.
En los casos de intercambiadores de calor entre líquidos, es usual estabilizar la temperatura del liquido de calefacción o refrigeración en un sistema separado.
Cuando el intercambiador de calor tiene una respuesta demasiado lenta, el mantenimiento de temperatura del producto se realiza con un controlador de temperatura actuando sobre una válvula de tres vías diversora que deriva el intercambiador. De este modo se logra una respuesta rápida frente al empleo de una válvula de dos vías, ya que la capacidad térmica del intercambiador es grande e introduce un retardo considerable ante cambios en la carga. El producto es derivado y se mezcla directamente con el producto caliente que sale del intercambiador.
Una variante del control en derivación se aplica en los casos de intercambiadores de calor entre líquidos, donde es usual estabilizar la temperatura del liquido de calefacción o de refrigeración en un sistema separado. En la siguiente figura puede verse el control de un intercambiador utilizando aceite térmico obtenido de un sistema separado. A este sistema podría aplicársele, si se deseara, un control en cascada con la temperatura del fluido térmico como variable secundaria.
Control del reactor en una central nuclear
En una central térmica convencional se utiliza una caldera de vapor con un quemador de fuel-oil o gas (o bien carbón). El calor generado se transfiere al agua de la caldera a través del haz de tubos dispuestos en el interior de la cámara de combustión. El agua se transforma en vapor que, sobrecalentado, pasa a la turbina, que a su vez mueve los generadores correspondientes.
En la central nuclear, la función realizada por la caldera es sustituida por el reactor nuclear combinado con un sistema primario de refrigeración y generadores de vapor.
En los dos sistemas, el control del agua en la caldera y el de la turbina es básicamente el mismo: control de nivel de tres elementos en la caldera y posición de las válvulas de admisión de la turbina para regular el caudal de vapor, y por lo tanto, la potencia de salida. Sin embargo, señalemos que desde un punto de vista simplificado, la caldera de la central térmica es compleja, la potencia de salida gobierna el caudal de combustible y el aire de combustión combinados en la mezcla adecuada, establece el número de quemadores a utilizar y en muchas plantas fija la temperatura de sobrecalentamiento, mientras que la central nuclear es básicamente más simple, sólo se requiere el control del consumo del combustible nuclear. La producción de la energía en el reactor nuclear se logra mediante la fisión de los átomos del material combustible por el bombardeo con neutrones. El número de éstos da una medida aproximada de la potencia de salida y para ajustarlo se posicionan adecuadamente las barras de control de reactividad.
El sistema de control emplea como señales de entrada, el flujo de neutrones, las temperaturas, la presión y el caudal del fluido de refrigeración, la posición de las barras de control y las calorías de salida de la planta. Un programa establece la carga a aplicar para alcanzar el nivel de potencia deseado, mediante los grupos de las barras de control. En la siguiente figura puede verse un esquema simplificado del conjunto de los instrumentos utilizados.
El núcleo del reactor contiene termopares de cromel-alumel y detectores móviles de neutrones que proporcionan datos de la distribución de temperaturas y del flujo, lo que permite determinar la distribución de potencia dentro del reactor y calibrar los detectores de flujo externos.
Otra diferencia entre el reactor nuclear y la central térmica es el sistema de paro de la central, ya sea planificado de antemano, ya sea en una emergencia. Mientras que en la central térmica convencional el paro se realiza de modo simple, cerrando las líneas de fuel-oil o de gas, y la emergencia puede ser debida a fallos de presión en la línea o de caudal de aire de combustión, en la central nuclear el paro puede presentarse por pérdida del caudal de refrigerante primario o aumento exagerado de la potencia de salida hasta un nivel de inseguridad. El sistema de emergencia del reactor nuclear debe actuar rápidamente y debe ser de alta confiabilidad.
Los sistemas de seguridad del reactor tienen en cuenta los siguientes puntos:
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