SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL PARA SUPERVISIÓN Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES.

Control unitario SISO.

PLC.

Sistemas de adquisición de datos.

Sistema SCADA.

Sistemas de control distribuido.

MEDICIÓN DE TEMPERATURA

Generalidades

Lazo de control

Existen disposiciones de los sistemas de control diferentes a la básica, en donde pueden por ejemplo coexistir varios controladores, elementos de medición u algún otro componente. Estas disposiciones o comúnmente llamados lazos de control permiten controlar sistemas más complejos de una manera práctica

Las señales estándar manejadas son 4-20 mA.C.D., 0-5 V.C.D. y 0-10 V.C.D. Así por ejemplo si se desea medir una temperatura de 0-700°C la señal de 4 mA corresponderá a 0°C y la señal de 20 mA corresponder a 700°C

La razón básica de la señal estándar es utilizar solamente un solo tipo de controlador universal que se implique a cualquier variable de proceso (temperatura , nivel, presión, peso, densidad, conductividad, etc.)

En algunos casos, el elemento primario de medición y el transmisor vienen en un solo instrumento, como es el caso de los transmisores de presión.

El controlador

Su función es fijar la variable controlada c(t) en un valor deseado R(t) conocido como punto de ajuste o “set point”, mediante la manipulación de su salida o variable manipulada m(t) a través de un actuador que interactúa directamente en el proceso. Este controlador en su entrada y salida maneja también señales eléctricas estándar e incluye internamente el comparador o generador de la señal de error.

El elemento final de control de Temperatura

Convierte la señal estándar recibida por el controlador en una señal adecuada para interactuar con el proceso y así modificar o mantener el valor de la variable controlada.

Normalmente contempla 2 partes: un transductor y un elemento final de control. Por ejemplo, si el elemento final utilizado es una válvula de control. Se requiere un transductor que convierte a la señal eléctrica de 4-20 mA.C.D. En una señal de aire con una presión de 3-15 psig (lb/in²).

Medición de temperatura

La temperatura es una magnitud física que mide la energía térmica de una sustancia.

Otra definición de temperatura: es una manifestación del promedio de energía cinética como ondulatoria y de traslación de las moléculas de una sustancia.

Las unidades de temperatura son establecidas en 5 escalas arbitrarias: escala Fahrenheit °F, escala centígrada °C, escala Kelvin K, escala Rankine °R y escala Reamur °R

La conversión más común es de °C a °F

°C = (°F – 32) /1.8

°F = 1.8 °C + 32

Escalas de temperatura

Escalas de temperatura: Más comunes

Fahrenheit

El agua se congela a 32 °F, hierve a 212 °F
A nivel del mar
Celsius
El agua se congela a 0 °C, hierve a 100 °C

Escalas de temperatura: Absolutas

Escala Kelvin Termodinámica

El movimiento molecular se detiene a 0 K
El agua se congela a 273.15 K, hierve a 373.15 K
K = °C + 273.15
Las unidades grados tienen el mismo tamaño que la escala en Celsius
Rankine

Es paralela a la escala termodinámica pero en unidades grados tiene el mismo tamaño que en la escala Fahrenheit
°R = °F +459.64

Uso de la medición de la temperatura en procesos industriales

En operaciones que involucran transferencia de calor coma como los intercambiadores de calor, hornos, hervidores, evaporadores o calderas.
Control de reacciones químicas sensibles a la temperatura.
Operación de equipos, como torres de destilación, tanques de almacenamiento, torres de enfriamiento, mezcladores, cristalizadores, etc.
Monitoreo del funcionamiento de equipo rotatorio, para prevenir calentamiento, como turbinas, compresores, bombas y motores en general.
Control de temperatura de productos y límites de planta.

Medición inferencial de temperatura

Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura:

Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (Termómetros de vidrio y bimetálicos, sistemas termales);
Variación de resistencia de un conductor (Bulbos de resistencia RTD, termistores);
Generación de una f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares);
Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación);
Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.)

Termómetros de vidrio

Constan de un bulbo que es el depósito donde está contenido la mayoría del líquido y un tubo de vidrio que incluye un capilar por el que asciende el líquido al dilatarse.

Normalmente el volumen del bulbo es 6000 veces mayor que el contenido en la longitud correspondiente a 1ºC en el capilar. El bulbo y el tubo pueden estar hechos del mismo tipo de vidrio o ser diferentes. La capa de vidrio que rodea al bulbo es mucho más fina para facilitar el contacto térmico. En la actualidad pueden ser usados en un amplio intervalo de temperaturas.

El límite inferior viene dado por la congelación de los líquidos y el límite superior por problemas con el vidrio. Usando líquidos orgánicos se puede llegar hasta –200ºC (el mercurio solo llega hasta –35ºC). El vidrio normal se utiliza hasta 400ºC, pero existen tipos especiales de vidrio que permiten medir hasta 600ºC. Además de los componentes universales (bulbo, tubo, líquido, vacío o gas) pueden tener una cámara de expansión (reducir el incremento de presión al ascender el líquido), una escala auxiliar (calibrado en punto de hielo) o una cámara de contracción.

Termómetro bimetálico

Son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura basándose en los principios de contracción y de expansión de 2 aleaciones metálicas diferentes una con un alto coeficiente de dilatación y la otra con uno bajo.

Cada una de las aleaciones metálicas se dilata o contrae en distinto grado para cada nivel de temperatura. Esto produce que la tira bimetálica en forma de hélice se enrolle y desenrolle ante variaciones de temperatura. La tira al enrollarse se acorta y al desenrollarse se alarga, ese movimiento lineal se transforma en movimiento giratorio en la aguja indicadora.

Los termómetros bimetálicos con vástago de inmersión se usan en diferentes industrias, se instalan en tanques, calderas, tuberías u hornos por lo que sus aplicaciones son tantas como tipos de industrias hay.

Sistemas termales

Este es uno de los métodos más antiguos utilizados para indicación local, registro y control y actualmente su uso se limita a transmisores, sobre todo en lazos neumáticos. Básicamente es un medidor de presión que consiste de:

Un bulbo sensitivo, inmerso en el medio a medir.
Un tubo capilar conectado del bulbo al dispositivo de lectura para que cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo,
Un dispositivo indicador actúa por presión para efectuar la indicación de temperatura.

Compensación del sistema termal

Uno de los problemas básicos de este sistema es el error inducido por las variaciones en la temperatura ambiente, por lo que requiere una compensación.

La compensación puede ser de dos tipos: En caja por medio de un elemento bimetálico que tiende a anular los efectos de la temperatura ambiente sobre el receptor; y Total por medio de otro capilar paralelo que esté sometido a los mismos efectos y los contrarresta, sobretodo cuando la extensión del capilar es considerable.

Clasificación del sistema termal

De acuerdo a la Asociación de Fabricantes de Aparatos Eléctricos (SAMA) existen cuatro grupos de acuerdo al fluido de llenado y al rango:

Clase I : Llenado con líquidos (cambios de volumen)

Clase II: Llenado con vapor (cambios de presión)

Clase III: Llenado con gas (cambios de presión)

Clase V: Llenado con mercurio (cambios de volumen)

El rango de medición de estos instrumentos varía entre 40 hasta +500 °C, dependiendo del tipo de líquido, vapor o gas que se emplee.

Características

Características de los sistemas termales

Termopar

Los termopares se basan en un efecto termoeléctrico, el efecto Seebeck. Se trata de dos conductores metálicos diferentes unidos por sus extremos mediante soldaduras, formando un circuito. Si las uniones de ambos conductores están a temperatura diferente se produce una f.e.m. observándose la aparición de una corriente eléctrica en el circuito. La f.e.m. (Fuerza electromotriz) generada depende de la naturaleza de los materiales que forman el circuito y de la diferencia de temperaturas entre las dos uniones.

Un termopar, está formado, por tanto, por dos conductores metálicos diferentes unidos por sus extremos formando un circuito eléctrico. La f.e.m. generada depende de la naturaleza de los conductores y de la diferencia de temperaturas entre sus uniones. La ley de variación de la f.e.m. con la diferencia de temperatura es una ley cuadrática de la forma:

ε = a + b ∆T + c ∆T2

Leyes de la Termoelectricidad

En un circuito formado por un solo metal, la FEM generada es cero, cualquiera que sean las temperaturas.

Si se interrumpe un circuito termoeléctrico en una de sus uniones intercalándose un nuevo metal, la FEM generada por el circuito no cambia a condición de que los extremos del nuevo metal sean mantenidos a la misma temperatura que había en el punto de interrupción y de que la temperatura en la otra unión permanezca invariable.

En un circuito formado por dos metales diferentes la FEM generada es diferente de cero, siempre y cuando las temperaturas sean diferentes en la unión caliente con respecto de la unión fría

Compensación por junta fría

Materiales de construcción

Formas de conexión de termopares

Cables de extensión de termopares

Los cables de extensión deben ser específicos para el tipo de termopar utilizado, aunque para una transmisión a gran distancia puede utilizarse cobre, cuidando la temperatura y composición homogénea del conductor