Elementos de medida en automatización y robótica industrial

Autor: IVAN ESCALONA MORENO

Producción, procesos y operaciones

01-2006

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Introducción a los Elementos de Medida

El concepto de control, data desde la época de los griegos, en la que se construyeron diferentes tipos de mecanismos, tales como: un reloj de agua, lámparas de aceite, etc. Así como un mecanismo para abrir y cerrar las puertas de uno de los templos más concurridos en esa época (Ktesibios), el cual generaba un peculiar viento, con lo que la gente creía que era un acto de poder creado por los dioses olímpicos.

El hombre, sabiéndose limitado en sus capacidades, ha creado artificios que le permitan ampliar la forma de hacer las cosas, creando dispositivos que puedan controlar algunas variables que se consideran necesarias para aplicarlas en diversos procesos industriales.

Hay quienes, apoyados en el marcado desarrollo de nuevas tecnologías en este siglo que comienza, consideran que esto se puede conseguir fácilmente, con la ayuda de robots que reemplacen “el trabajo de los seres humanos”, ya que a “más tecnología”, “más calidad, menores costos y, por tanto, bajo precio”.

En las últimas décadas “la industria europea, ha invertido la mayor parte de su presupuesto en maquinaria y robótica” y “se estima que en los próximos años la cantidad de robots en Europa y EU aumentará notablemente”.

En cuanto a los robots, se prevé que sus “capacidades y versatilidad” “continúen expandiéndose” y sus precios bajen.

Según la previsión de los expertos, a largo plazo, el número de las actividades realizadas por los robots alcanzará el 80% de todos los sectores de la economía.

Los programa de producción agropecuaria guiados por sensores, la ingeniería genética, las granjas moleculares, las operadoras informatizadas con reconocimiento de voz, los cajeros automáticos, los sistemas de comunicación, la automatización de las oficinas hasta el punto de la oficina virtual, muestran sólo algunos de los sectores y áreas de la producción, hasta dónde está llegando el novedoso avance tecnológico.

Los beneficios de la tecnología: costos bajos, procesos más rápidos, aumento de la competitividad y la eficiencia, tienen un impacto en la sociedad que conviene analizar.

En los lugares donde la industrialización es más palpable, las tasas de empleo se verán directamente afectadas.

Elementos de medida

En cualquier sistema de control automático es necesaria la medida de las variables a controlar.

Además de las variables a controlar es habitual la medida de otras variables de manera que se tenga un mejor conocimiento de lo que sucede en el proceso.

La medida de las magnitudes del proceso (presiones, fluidos, temperaturas, pH, humedad, velocidad, etc.) la realizan los elementos primarios, los que, en la mayoría de los casos, las transforman en magnitudes de otra especie (presiones neumáticas, potenciales eléctricos, desplazamientos mecánicos, etc.) pero fáciles de medir o de transmitir a distancia.

Los instrumentos que producen esta transformación de variables se conocen con le nombre de transductores. Se pretende que exista una relación analógica entre los valores de la magnitud medida y la salida del transductor.

Hay casos en que no es posible medir directamente la magnitud a controlar. Entonces se recurre a la medida de otra magnitud de la cual depende la primera. Por ejemplo, en un horno de templado la magnitud que interesa mantener constantemente es el temple del acero. Las dificultades de medida rápida, precisa y continua del temple obligan a recurrir al control de temperatura del horno.

Controlador automático

Un controlador automático compara la señal de salida con una referencia (valor deseado), determina el error y produce una señal de control que trata de reducir el error a cero o a un valor menor.

Características estáticas y dinámicas

Para el estudio de la automatización de un proceso interesa el conocimiento de las relaciones existentes entre las variables de entrada y salida (variable manipulada y variable controlada) cuando no hay variaciones en el tiempo esto es, en condiciones de equilibrio. Las relaciones entre las variables, en condiciones de equilibrio son las características estáticas. Así, en el proceso representada en l a siguiente figura, a cada gasto de entrada Q1 corresponder, después de alcanzado al equilibrio, un cierto nivel h.

Las relaciones h = f (Q1) expresa una de las características estáticas de proceso.

En las relaciones que expresan las características estáticas no entra la variable tiempo.

Las características dinámicas pueden establecerse en los casos más sencillos, por vía analítica, por el solo conocimiento de las leyes físicas y de las constantes del procesó.

Además de las características dinámicas del sistema de medida, son muy importantes las siguientes propiedades:

• Precisión: Expresa el grado de concordancia entre el valor indicado por el sistema de medida y el valor real de la magnitud. Se representa por la desviación, expresada en porcentaje del valor máximo. La mejor manera de conocer la precisión consiste en determinar la curva de error, en toda la banda de medida.

• Linealidad: Significa que la función que relaciona la variable de salida con la de entrada es una función lineal (geométricamente representada por una línea inclinada). Las desviaciones de la linealidad se expresan en porcentaje.

• Histéresis: Diferencia entre los valores indicados por el sistema pasra un mismo valor de magnitudes de medida, cuando se ha alcanzado entre valor por valores crecientes o por valores decrecientes.

• Sensibilidad: Representa la relación de la señal de salida y la señal de entrada. Para la misma señal de entrada, la salida es tanto mayor cuanto mayor sea la sensibilidad.

Medida de la presión

Las medidas de presión son muy importantes en procesos continuos en el que hay que tratar con fluidos

Los elementos primarios para medir la presión pertenecen a las siguientes categorías principales:

Manómetros de líquidos
Fuelles
Diagramas
Vacuómetros de varios tipos
Elementos piezoeléctricos o piezorresistivos
Elementos con detectores extensiométricos (Strain Cages)
Elementos capacitivos
Elementos de reluctancia

En el Control Industrial interesan tres conceptos ligeramente diferentes de la presión. Normalmente se mide la presión manométrica, que representan la diferencia entre la presión absoluta en el lugar de la instalación y la presión atmosférica.

Algunas veces interesa la medida de la presión absoluta, especialmente cuando se miden presiones inferiores a la atmosférica.

Cuando se trata de medidas de flujo, en sistemas de ventilación, etc, es muy usual también la medida de la presión diferencial.

Estos conceptos se ilustran en la siguiente figura:

Manómetros de líquido – Son los instrumentos más antiguos para medir la presión. Se basan en el equilibrio de columnas líquidas. Actualmente se usan poco en procesos industriales en virtud de la desventajas que resultan de la presencia del líquido.

Los tipos de manómetro de líquido de mayor uso son:

Manómetro de tubo en U, de ramas iguales
Manómetro de flotador, Manómetro de tubo sencillo, Manómetro de campana
Manómetro anular
Algunos de estos tipos no son más que indicadores y no interesan en el control automático. En la figura siguiente solamente se indican el funcionamiento esquemático de los manómetros indicadores.

En los manómetros de otros tipos, la variable de salida es un movimiento mecánico. Son apropiados para actuar sobre transmisores de señal o instrumentos de entrada en los controladores neumáticos.

En la figura R se muestra esquemáticamente un manómetro de flotador. Los movimientos del flotador son proporcionales a la diferencia de presión. Transmiten al exterior por intermedio de un sistema mecánico y de un eje con empaque estanco, o en ciertos casos por medio de un tubo de torsión. Se puede usar para medidas de presiones diferenciales de hasta 600 in de agua y para presiones estáticas de hasta 5000 psi.

Se muestra en la figura el esquema de un manómetro de anillo. El ángulo de rotación depende, en este caso, de la diferencia de presiones. Los movimiento del anillo se puede aplicar como entrada a los instrumentos o controladores. Para terminar esta rápida referencia a los manómetro de líquido, en la figura R’’, se ilustra el principio en que se basa un manómetro de campana.

Son apropiados para medir pequeñas presiones diferenciales. Por ejemplo, se utiliza para medir la presión en las cámaras de combustión-

Tubos de bourdon: de todos los elementos de medida de presiones, éste es el más usual. Está constituido por un tubo de sección elíptica enrollado circularmente, en espiral o en hélice. Cuando la presión interior aumenta el tubo tiende a disminuir de curvatura.

Los movimientos del extremo del bourdon se transforman por medio de un conjunto de palancas y ruedas dentadas y se aplican a agujas.(manómetros indicadores) o al elemento de entrada de transmisores de señal o de controladores. En la figura 16 se presentan dos tipos de tubos bourdon.

Los tubos de bourdon se construyen de materiales elásticos. De acuerdo al fluido que se ha de medir, se usarán bronce, cobre – berilio, acero carbonado, aceros inoxidables, etc.

Fuelles y diafragmas – en la figura 17 se representan esquemáticamente estos elementos primario de medida de presión.

Se fabrican en bronce, latón, cobre-berilo, acero inoxidable, etc., conforme sean las condiciones ambientales. La gama de presiones está determinada por muelles opositorios los que confieren a estos elementos característicos de proporcionalidad.

Medidas de vacío – Solamente se describirá el principio del vacuómetro de Pirani, en el que se aprovecha el enfriamiento producido por el gas cuya presión se ha de medir en un hilo calentado por una corriente eléctrica constante. Las variaciones de la resistencia del hilo se miden en un puente de resistencia. La salida del vacuómetro es un tensión eléctrica. Hay otros instrumentos de medida de vacío, como el vacuómetro de termopar, el manómetro iónico, el vacuómetro radioactivo.

Medida de la presión absoluta – cuando se trata de medir presiones absolutas bajas (inferiores a 50 psi) las variaciones de la presión absoluta conducen a errores muy altos si se usaran los instrumentos de presión relativa. Un elemento para medir la presión absoluta podría estar constituido como se indica en la siguiente figura:

Está constituido, en principio, por dos fuelles en oposición, de uno de los cuales se extrae el aire. Un muelle compensa la diferencia de fuerzas.

Transmisores de presión: Los elementos primarios de medida de presión con salida mecánica no son suficientes para transmitir la señal a los controladores (y registradores) existentes en la sala de control. Son necesarios dispositivos capaces de transformar las indicaciones de presión en señales neumáticas o eléctricas (transmisores de señal)

Precisión estática de los elementos de presión – Los elementos de medida de la presión tienen errores del orden del 1% de la gama cuando están convenientemente calibrados. En instrumentos más cuidadosamente construidos se alcanzas precisiones del orden del 0.5%. Una de las causas de error aleatorio es la acción de la temperatura ambiente, la que provoca dilataciones de las partes del manómetro y alteraciones del módulo de elasticidad del muelle opositor.

Medidas de fuerza y peso

En diversos procesos industriales es necesario controlar el peso de los materiales que se han de transformar, o ajustar la magnitud de las fuerzas actuantes.

Para la medición de las fuerzas, se da lugar a transductores que conviertan estas magnitudes en otras más fáciles de medir.

Existen diversos tipos de dispositivos para medir el peso y las fuerzas, tales como:

a) Balanzas discontinuas.
b) Balanzas discontinuas.

También existen dispositivos de pesaje que se basan en principios neumáticos, hidráulicos y eléctricos.

· Indicador neumático de fuerza: En este dispositivo, la fuerza desconocida se aplica a una de las caras de un diafragma. En la otra cara se aplica un presión neumática, hasta reestablecer el equilibrio. La medida de la presión da la medida de la fuerza.

· Indicador hidráulico de fuerza : Sigue el mismo principio que el dispositivo anterior, sin embargo, en este caso en lugar de utilizarse aire comprimido, se da lugar a un fluido. La capacidad de este dispositivo es hasta de diez toneladas.

· Piezo-eléctrico o extensómetro: En estos dispositivos la fuerza que se mide produce la deformación de un elemento elástico. Por ejemplo, un anillo de acero.

El cristal del extensómetro está fijado al elemento elástico y sufren también las deformaciones, dichas deformaciones se convierten en una variación de resistencia del extensómetro o bien en un potencial eléctrico generado por el detector piezo-eléctrico.

Medidas de desplazamiento y dimensiones.

En las industrias mecánicas es necesario realizar medidas dimensiónales, por ejemplo:

- Medidas de espesor de chapas en los laminadores.
- Medida de desplazamiento en las máquinas de control numérico.

Entre los diversos tipos de dispositivos para la medición de desplazamientos, encontramos uno basado en la fuerza neumática que permite medir desplazamientos de hasta 0.25 mm.

Para las máquinas de control numérico, se utilizan dos proceso de desplazamiento:

I .Por incrementos:

En este dispositivo existe una escala que se divide en elementos de magnitud elemental formando una rejilla, un captador que se encuentra unido al carro móvil de la máquina, traduce cada línea a un impulso eléctrico y por lo tanto origina una indicación analógica o digital del desplazamiento.

II. Absoluto:

En este dispositivo se utiliza una escala múltiple en la que cada una de las posiciones están indicada según un código binario, en este caso cada posición está indicada por un número y no por un impulso.

Medidas del pH

Como sabemos el pH es una variable de gran importancia, que nos da el valor de la concentración de los iones hidrógeno.

Un líquido puede tener los siguientes valores:

El método tradicional para la medición del pH utiliza un electrodo de vidrio (electrodo de medida) y un electrodo de calomel (electrodo de referencia).

En el electrodo de vidrio se genera una diferencia de potencial entre el líquido a medir y la solución interna que depende linealmente del pH de la solución, esta diferencia de potencial permite conocer el pH, mediante la ecuación de Haber:

E = Eo – 0.0591 log H+ (a 25°C).

El electrodo de calomel presenta una f.e.m constante de 245 mv, mientras que el electrodo de vidrio presenta una variación de 465 mv hasta –43 mv. Por ejemplo para un pH = 7 (neutro) se tiene una diferencia de potencial de 25 mv.

Medidas del Nivel

En el control de los procesos, el nivel de líquidos y sólidos contenidos en tanques y reactores, tolvas, etc., es una variable importante. Los dispositivos para la medida del nivel son muy variados. Algunos de ellos son:

• Indicación directa
• Flotador
• Contactor móvil de superficie
• Presión hidrostática
• Burbujeador
• Capacitivos
• Conductivos
• Ultrasónicos
• Nucleares
• Ópticos
• Pesaje

Los más usados son:

Medidores de nivel por presión hidrostática.

Es el método más común para medir niveles de líquidos. La transmisión de la señal del nivel se puede efectuar por medio de celdas de presión diferencial que pueden ser de tipo neumático o electrónico

Medidores de nivel por desplazamiento.

Este tipo de medida se basa en la variación del peso aparente de un cuerpo parcialmente sumergido en un líquido, cuando la altura del líquido varía. Por ejemplo, el flotador utilizado en los tinacos para baño.

Métodos capacitivos.

Se utilizan tanto en líquidos como en sólidos, polvos o granulados. El principio en el que se basan es muy sencillo. Una varilla metálica aislada o, verticalmente localizada dentro del depósito, desempeña la función de uno de los electrodos de un capacitor. Como el líquido ( o el sólido granulado) tiene una cierta conductividad, equivale a su vez al segundo electrodo del capacitor. La superficie aparente de los electrodos y, por lo tanto del capacitor, varía con el nivel; esta capacitancia se mide con un puente de C. A.

Medidas de Temperatura

Los elementos de medida de temperatura más adaptados al control automático de procesos son:

• Termopares (o pares termoeléctricos)
• Termómetros de resistencia
• Sistemas de bulbo y bourdon
• Termómetros de dilatación
• Pirómetros de radiación
• Termistores

Se describen los tipos más fundamentales

Termopares

Son seleccionados para la mayoría de las medidas industriales. Tienen sencilla construcción, si están bien calibrados son precisos. Se basan en el descubrimiento siguiente hecho por Jean Peltier en 1821: “Cuando hilos de metales diferentes están en contacto por los extremos, se genera una f.e.m. (y aparece una corriente eléctrica en el circuito) cuando los dos contactos están a diferentes temperaturas” .

Los pares de metales más utilizados en la constitución de termopares industriales son:

• Cobre – Constantán (aleación de cobre y níquel)
• Fierro – Constantán
• Platino – Platino rodio

Para muy altas temperaturas se fabrican termopares de metales refractarios como son:

• Tungsteno – Tungsteno renio
• Grafito – Silicio
• Iridio – Iridio renio
• Tungsteno – Iridio
• Molibdeno – Molibdeno renio

El termopar se selecciona en función de la gama de temperaturas, de los efectos corrosivos del medio ambiente y, de la precisión deseada.

La localización de un termopar en el proceso se debe considerar cuidadosamente. En realidad, además de los cambios térmicos por conducción en relación con el fluido, entran en juego intercambios de energía por radiación con las superficies calientes o frías de la instalación (tuberías, aletas, paredes, etc.)

Termómetros de resistencia (o termo-resistencias)

Se usan para alcanzar mayor precisión que con termopares, o para medidas de pequeñas desviaciones de temperatura (del orden de 0.02°C). Cuando se miden temperaturas próximas a la temperatura ambiente son imprescindibles las resistencias. El error máximo de los termómetros industriales de resistencia es cercano a 0.5%.

Este método aprovecha el cambio de la resistencia de los conductores eléctricos con la temperatura. Las sustancias que utiliza son hilos metálicos de platino (son los más usados por la precisión y resistencia a la corrosión), cobre o níquel, plata, etc.,

El hilo metálico de resistencia termométrica se enrolla en soportes aislantes generalmente de cerámica. Exteriormente las resistencias están protegidas por fundas termométricas de diversas sustancias (metal, cerámica, vidrio, etc.).

Medidas de Flujo

Existen muchos métodos básicos para la medida del flujo. Algunos están bastante generalizados, otros se aplican en casos restringidos.

Para efectos de clasificación, se pueden agrupar los elementos primarios de medida del flujo en los siguientes grupos principales:

1. Medidores de presión diferencial
2. Medidores rotativos (contadores y turbinas)
3. Medidores electromagnéticos de flujo
4. Medidores de área variable
5. Medidores de descarga
6. Medidores de caudal de masa
7. Medidores de caudal de sólidos
8. Medidores de vórtice
9. Medidores ultrasónicos de flujo

En este trabajo sólo se hará referencia a los tipos de medidores de flujo más importantes en la industria.


Medidores de presión diferencial

Los elementos de medida de flujo por presión diferencial, universalmente utilizados en la medida del flujo de los fluidos, se basan en el teorema universal de la hidrodinámica (teorema de Bernoulli).

La expresión general que relaciona el flujo de los fluidos incompresibles “q” con la presión diferencial queda de la siguiente forma:

Donde:

q : Flujo de los fluidos
k : Coeficiente de gasto
P1 : Presión 1
P2 : Presión 2

A pesar del gran avance teórico en este aspecto, es tal la complejidad de los fenómenos en cuestión que, para calcular los elementos de presión diferencial, se recurre a datos experimentales y a tablas determinadas empíricamente. Solo así se consigue una precisión aceptable.

Los elementos de presión diferencial son restricciones o constricciones de diversos tipos insertados en la tubería donde circula el fluido que se quiere medir. La caída de presión que ocurre en la restricción es una medida del caudal.

De los diversos tipos de restricciones, las mas usadas son:

a) Orificios
b) Tubos Venturi
c) Tubos Dall

Orificios:

Este es el tipo de restricción más usado. Tiene la forma de una placa circular, insertada en la tubería entre dos bridas, en la cual se hace un orificio con las dimensiones que indique el calculo. El material del orificio debe resistir la corrosión química y mecánica del fluido. Se usan mucho los diversos tipos de acero inoxidable.

Tubos Venturi:

Son restricciones más elaboradas que el orificio. El tubo de Venturi permite mayor precisión que el orificio, además, se recupera en gran parte la caída de presión. Otra de las ventajas es de que tenemos mayor constancia en las indicaciones a lo largo del tiempo, es decir, existe mayor repetibilidad.

El Tubo de Venturi es particularmente recomendable para líquidos con sólidos en suspensión. La única desventaja del Tubo de Venturi es el costo elevado.

Tubo Dall:

Este tubo produce perdida permanente de presión de cerca del 15% y es mas barato que el Tubo Venturi.

Medidores rotativos (contadores y turbinas)

Se utilizan contadores de modelos varios, (pistones oscilantes, disco de mutación, rotores de dientes engranados, contadores de gas, etc.) cuando se requiere medir cantidades de fluido con buena precisión (desde 0.1 a 1%). Los contadores domésticos de gas y agua son de este tipo.

Los medidores de gasto de tipo turbina permiten presiones mas altas de las que permiten los orificio y tubos de Venturi en la medida del flujo en líquidos. Físicamente, los medidores de turbina son de dimensiones muy pequeñas cuando se les compara con otros tipos de elementos primarios. El órgano principal lo constituye un turbina que mide la velocidad media del liquido.

En una bobina montada en el fondo interno del medidor, cuyo núcleo es un imán permanente, se inducen impulsos al paso de cada una de las paletas de la turbina. Estos impulsos son amplificados y transformados en impulsos rectangulares. Un contador electrónico de impulsos permite indicaciones digitales del flujo y de la cantidad de liquido. La precisión de los medidores de turbina es normalmente mejor que 0.5% en una amplia gama de medidas.

Medidores electromagnéticos de flujo

Los medidores de este tipo son los únicos que no presentan obstrucción al paso del liquido. La perdida de carga que introducen es igual a la de una tubería libre con el mismo tamaño. Por ese motivo son los elementos primarios ideales para la medida de flujos en líquidos viscosos o con sólidos en suspensión. La única condición será que el liquido tenga una conductividad eléctrica por encima de un mínimo establecido.

El funcionamiento de estos medidores se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética. Un conductor eléctrico que se mueve con velocidad perpendicularmente a un campo magnético de inducción, es el asiento de una fuerza electromotriz, dada por la relación:

e = (B)( l)(v)

Donde: e : Fuerza electromotriz
B : Campo magnético de inducción
l : Longitud del conductor
v : Velocidad perpendicular

La fuerza electromotriz inducida, que es proporcional al flujo del liquido, será amplificada por un amplificador electrónico. Una de las dificultades de esta medida reside en el bajo valor de la f.e.m. (milivolts), y de la aparición de diversas partes del circuito, de f.e.m. inducidas por los campos magnéticos existentes en los medios fabriles.

Otra dificultad se relaciona con las variaciones de tensión de la red, las que originan variaciones de la inducción magnética. Las variaciones en la conductividad del liquido pueden también introducir errores.

Resulta muy útil en la medida del flujo en líquidos con sólidos en suspensión, pastosos o corrosivos. Existen actualmente elementos primarios electromagnéticos cuyos electrodos no tienen contacto ohmico (resistencia) con el liquido, sino solamente capacitivo.

Medidores de Vórtice

Es un elemento primario de flujo que ofrece precisión superior a la de los orificios, no tiene piezas móviles y opera con una amplia banda de gastos. Las variaciones de presión y de temperatura no afectan las medidas.

Al no tener partes mecánicas su confiabilidad es alta. El instrumento se basa en la detección del paso de vórtices formados por un obstáculo ( elemento generador de vórtices), intercalado en el paso del fluido.

Los vórtices son pequeños remolinos en zonas localizadas. El elemento generador de vórtices atraviesa diagonalmente la tubería de medida y divide el flujo a la mitad.

Los vórtices se forman alternadamente en cada una de las dos mitades. La geometría y el perfil del elemento generador se determinan a fin de obtener las siguientes características de los vortices:

Estabilidad
Número de vórtices proporcional al gasto

El número de vórtices proporcional al gasto dentro de una amplia gama de medidas. Por tanto existe relación lineal entre el flujo y el número de vórtices en un intervalo fijo de tiempo.

Siempre que se produce un vórtice, se produce una presión diferencial entre los lados superior e inferior del elemento generador. La sucesión de impulsos de presión se detecta por un elemento sensible insertado en el interior del elemento generador. El ritmo de los impulsos enviados por el detector es proporcional al número de vórtices y proporcional, por tanto, al gasto.

Este instrumento es utilizado con mucho éxito en aplicaciones comunes que usaban orificios y en la medida de gastos de líquidos con sólidos en suspensión o corrosivos.

Medidores ultrasónicos de flujo

Un haz estrecho de ondas sonoras (en la banda acústica o la ultrasónica) lanzada a través de un fluido en movimiento sufre un efecto de arrastre. El medidor ultrasónico de flujo aprovecha este efecto.

En su forma mas sencilla, esta constituido por un transductor transmisor de ultra sonido (TT) y por un transductor receptor (TR).

La onda ultrasónica, enviada en impulsos, atraviesa dos veces el fluido al reflejarse en la pared opuesta, Como la onda es arrastrada por el movimiento del liquido, el recorrido total, y por lo tanto, la atenuación de la onda depende de la velocidad del fluido.

Este tipo de medidor aun en su fase inicial, tiene una precisión mejor que la de la placa de orificio y no presenta ninguna obstrucción, como ocurre con el medidor electromagnético. Sirve pues para líquidos viscosos pastosos o peligrosos ( de alta presión, corrosivos, radioactivos).

Necesita de una corrección automática de temperatura por medio de un termistor porque la velocidad del sonido se altera en función de la temperatura presente en el cuerpo.

Transmisión de Señales

La definición clásica de transmisor nos dice que es un instrumento que capta la variable en proceso y la transmite a distancia a un instrumento indicador o controlador; pero en realidades eso y mucho más, la función primordial de este dispositivo es tomar cualquier señal para convertirla en una señal estándar adecuada para el instrumento receptor, es así como un transmisor capta señales tanto de un sensor como de un transductor, aclarando siempre que todo transmisor es transductor más no un transductor puede ser un transmisor; como ya sabemos las señales estándar pueden ser neumáticas cuyos valores están entre 3 y 15 Psi, las electrónicas que son de 4 a 20 mA o de 0 a 5 voltios

Transmisión de datos analógicos y digitales

TRANSMISIÓN ANALÓGICA

• Los datos analógicos toman valores continuos
• Una señal analógica es una señal continua que se propaga por ciertos medios .
• La transmisión analógica es una forma de transmitir señales analógicas ( que pueden contener datos analógicos o datos digitales ). El problema de la transmisión analógica es que la señal se debilita con la distancia , por lo que hay que utilizar amplificadores de señal cada cierta distancia .

TRANSMISIÓN DIGITAL

• los digitales toman valores discretos valores discretos
• Los datos digitales se suelen representar por una serie de pulsos de tensión que representan los valores binarios de la señal .
• La transmisión digital tiene el problema de que la señal se atenúa y distorsiona con la distancia , por lo que cada cierta distancia hay que introducir repetidores de señal .

Últimamente se utiliza mucho la transmisión digital debido a que :

La tecnología digital se ha abaratado mucho .

• Al usar repetidores en vez de amplificadores , el ruido y otras distorsiones no es acumulativo .
• La utilización de banda ancha es más aprovechada por la tecnología digital .
• Los datos transportados se pueden encriptar y por tanto hay más seguridad en la información .
• Al tratar digitalmente todas las señales , se pueden integrar servicios de datos analógicos ( voz , vídeo, etc..) con digitales como texto y otros .

Perturbaciones en la transmisión

Atenuación

La energía de una señal decae con la distancia , por lo que hay que asegurarse que llegue con la suficiente energía como para ser captada por la circuitería del receptor y además , el ruido debe ser sensiblemente menor que la señal original ( para mantener la energía de la señal se utilizan amplificadores o repetidores).

Debido a que la atenuación varía en función de la frecuencia , las señales analógicas llegan distorsionadas , por lo que hay que utilizar sistemas que le devuelvan a la señal sus características iniciales ( usando bobinas que cambian las características eléctricas o amplificando más las frecuencias más altas ) .

Distorsión de retardo

Debido a que en medios guiados , la velocidad de propagación de una señal varía con la frecuencia , hay frecuencias que llegan antes que otras dentro de la misma señal y por tanto las diferentes componentes en frecuencia de la señal llegan en instantes diferentes al receptor . Para atenuar este problema se usan técnicas de ecualización.

Ruido

El ruido es toda aquella señal que se inserta entre el emisor y el receptor de una señal dada . Hay diferentes tipos de ruido : ruido térmico debido a la agitación térmica de electrones dentro del conductor , ruido de intermodulación cuando distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión , diafonía se produce cuando hay un acoplamiento entre las líneas que transportan las señales y el ruido impulsivo se trata de pulsos discontinuos de poca duración y de gran amplitud que afectan a la señal-

Capacidad del canal

Se llama capacidad del canal a la velocidad a la que se pueden transmitir los datos en un canal de comunicación de datos .

La velocidad de los datos es la velocidad expresada en bits por segundo a la que se pueden transmitir los datos

El ancho de banda es aquel ancho de banda de la señal transmitida y que está limitado por el transmisor y por la naturaleza del medio de transmisión ( en hertzios ).

La tasa de errores es la razón a la que ocurren errores .

Para un ancho de banda determinado es aconsejable la mayor velocidad de transmisión posible pero de forma que no se supere la tasa de errores aconsejable . Para conseguir esto , el mayor inconveniente es el ruido .

Para un ancho de banda dado W , la mayor velocidad de transmisión posible es 2W , pero si se permite ( con señales digitales ) codificar más de un bit en cada ciclo , es posible transmitir más cantidad de información .

La formulación de Nyquist nos dice que aumentado los niveles de tensión diferenciables en la señal , es posible incrementar la cantidad de información transmitida .

C= 2W log2 M

El problema de esta técnica es que el receptor debe de ser capaz de diferenciar más niveles de tensión en la señal recibida , cosa que es dificultada por el ruido.

Cuanto mayor es la velocidad de transmisión , mayor es el daño que puede ocasionar el ruido .

Shannon propuso la fórmula que relaciona la potencia de la señal ( S ) , la potencia del ruido ( N ) , la capacidad del canal ( C ) y el ancho de banda ( W ) .

C = W log2 ( 1+S/N )

Esta capacidad es la capacidad máxima teórica de cantidad de transmisión , pero en la realidad , es menor debido a que no se ha tenido en cuenta nada más que el ruido térmico.

Tipos de Transmisores

Transmisores neumáticos: Se fundamentan en el principio que cumple el sistema tobera obturador que consiste en un tubo con un suministro constante de presión no superior a los 25 Psi que pasa por una restricción que reduce el diámetro alrededor de 0.1 mm y que en su otro extremo se torna en forma de tobera con un diámetro de 0.25 - 0.5 mm que esta expuesto a la atmósfera ocasionando un escape que es regulado por un obturador el cual cumple la misión de controlar el escape proporcional a la separación entre él y la tobera.

la función de la tobera - obturador es que a medida que la lamina obturadora disminuya o aumente la distancia hacia la tobera ocasionara un efecto inversamente proporcional sobre la presión interna que es intermedia entre la presión atmosférica y la de suministro e igual a la señal de salida del transmisor que para la tobera totalmente cerrada equivale a 15 Psi y totalmente abierta a 3 Psi.

Para la obtención de una salida eficiente y a causa de diminutos volúmenes de aire que se obtienen del sistema se le acopla una válvula piloto que amplifica, formando un amplificador de dos etapas .

La válvula servopilotada consiste en un obturador que permite el paso de dos caudales de aire los cuales nos determinan la salida mediante los diferenciales de presión entre las superficies uno y dos logrando vencer el resorte que busca sostener la válvula cerrada, aunque realmente existe una mínima abertura que lo que nos determina los 3 Psi como salida mínima. Las funciones de la válvula son:

· Aumento del caudal suministrado o del caudal de escape para conseguir tiempos de respuesta inferiores al segundo.
· Amplificación de presión (ganancia), de cuatro a cinco para obtener la señal neumática de 3 - 15 Psi.

Los transmisores neumáticos presentan las siguientes características:

· Un consumo de aire mas bajo para el caudal nulo de salida.
· Un caudal mayor de salida hacia el receptor.
· Una zona muerta de presiones de salida.
· Son de equilibrio de fuerzas.
· Son de acción directa.

Transmisores electrónicos: Generalmente utilizan el equilibrio de fuerzas, el desequilibrio da lugar a una variación de posición relativa, excitando un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia o un transformador diferencial. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y es así como se complementa un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de al variable en proceso. Su precisión es de 0.5 - 1% en una salida estándar de 4 - 20mA. Se caracterizan por el rango de entrada del sensor.

Transmisores inteligentes: Son aquellos instrumentos capaces de realizar funciones adicionales a la de la transmisión de la señal del proceso gracias a un microprocesador incorporado. También existen dos modelos básicos de transmisores inteligentes:

· El capacitivo que consiste en un condensador compuesto de un diafragma interno que separa las placas y que cuando se abren las placas es porque se realiza una presión este diafragma se llena de aceite lo cual hace variar la distancia entre placas en no mas de 0.1 mm. luego esta señal es amplificada por un oscilador y un demodulador que entregan una señal análoga para ser convertida a digital y así ser tomada por el microprocesador.
· El semiconductor sus cualidades permiten que se incorpore un puente de weaston al que el microprocesador linealiza las señales y entrega la salida de 4 - 20mA.

Los transmisores inteligentes permiten leer valores, configurar el transmisor, cambiar su campo de medida y diagnosticar averías, calibración y cambio de margen de medida. Algunos transmisores gozan de auto calibración, autodiagnóstico de elementos electrónicos; su precisión es de 0.075%. Monitorea las temperaturas, estabilidad, campos de medida amplios, posee bajos costes de mantenimiento pero tiene desventajas como su lentitud, frente a variables rápidas puede presentar problemas y para el desempeño en las comunicaciones no presenta dispositivos universales, es decir, no intercambiable con otras marcas.

Como calibrar un transmisor:

1) Chequeo y Ajustes Preliminares:

· Observar el estado físico del equipo, desgaste de piezas, limpieza y respuesta del equipo.
· Determine los errores de indicación del equipo comparado con un patrón adecuado (según el rango y la precisión).
· Llevar ajustes de cero, multiplicación, angularidad y otros adicionales a los márgenes recomendados para el proceso o que permita su ajuste en ambas direcciones (no en extremos) excuadramientos preliminares. Lo cual reducirá al mínimo el error de angularidad.

2) Ajuste de cero:

· Colocar la variable en un valor bajo de cero a 10% del rango o en la primera división representativa a excepción de los equipos que tienen supresión de cero o cero vivo, para ello se debe simular la variable con un mecanismo adecuado, según rango y precisión lo mismo que un patrón adecuado.
· Si el instrumento que se esta calibrando no indica el valor fijado anteriormente, se debe ajustar del mecanismo de cero( un puntero, un resorte, reóstato, tornillo micrométrico, etc).
· Si el equipo tiene ajustes adicionales con cero variable, con elevaciones o supresiones se debe hacer después del punto anterior de ajuste de cero.

3) Ajuste de multiplicación:

· Colocar la variable en un valor alto del 70 al 100%.
· Si el instrumento no indica el valor fijado, se debe ajustar el mecanismo de multiplicación o span ( un brazo, palanca, reóstato o ganancia).

4) Repetir los dos últimos pasos hasta obtener la calibración correcta para los valoresalto y bajo.

5) Ajuste de angularidad:

· Colocar la variable al 50% del span.
· Si el incremento no indica el valor del 50% ajustar el mecanismo de angularidad según el equipo.

6) Repetir los dos últimos pasos 4 y 5 hasta obtener la calibración correcta, en los trespuntos.

Nota: Después de terminar el procedimiento se debe levantar un acta de calibración, aproximadamente en cuatro puntos: Valores teóricos contra valores reales ( lo mas exactamente posible), tanto ascendente como descendente para determinar si tiene histéresis.

Transmisores de presión y temperatura para:

•la extrusión de plástico
•el moldeo de plástico
•la industria en general

Transmisores de flujo másico para gases, interruptores de nivel y flujo bajo el principio de dispersión térmica

Transmisores de presión y nivel neumáticos y electrónicos.

•Para la industria del papel
•Para la industria en general

Transmisores e interruptores

de nivel por el principio
de radio frecuencia.

Transmisores de señal

•Alarmas
•Convertidores I/P, P/I
•Transmisores de temperatura
•Sistemas de comunicación de datos

Preguntas de Repaso

1.- ¿Qué se necesita un sistema de control?
2.- Que hacen los elementos primarios?
3.- ¿Cómo se llama el instrumento que cambia las magnitudes del proceso Transductor?
4.- Menciona al menos ocho elementos primarios para medir la presión
5.- ¿Qué diferencia existe entre la presión absoluta, presión diferencial y la presión relativa?
6.- ¿Cuál es la función de los fuelles y diafragmas?
7. Menciona los tres dispositivos para la medición de fuerzas.
8. Describe el dispositivo que utiliza el método incremental para la medición de desplazamientos en una máquina de NC.
9. ¿Cuáles son los dos tipos de electrodos que se utilizan en la medición del pH?
10.- Mencione algunos dispositivos para la medida del nivel y diga cuál es el más usado.
11.- Diga cuáles son los elementos de medida de temperatura más adaptados al control automático de procesos.
12.- ¿Cuáles son las razones por las cuales los termopares se usan más como elementos de medida de temperatura?
13.- Menciona los principales elementos primarios de medida del flujo.
14.- ¿Cuáles son los elementos primarios de medida que no presentan obstrucción al paso del fluido?
15.- ¿Qué elementos primarios de medida nos permiten medir cantidades de fluido?
16.- ¿Qué diferencia hay entre transmisión analógica y la transmisión digital?
17.- ¿Qué son los Transmisores?
18.- ¿Cuántos tipos de transmisores existen en la automatización?

Bibliografía

Técnicas de Automatización Industrial.
José J. Horta Santos.
Edit. Limusa
México, 1982.
47-102 pp.

Robótica: Una introducción
Mc Cloy
1ª. Edición.
Edit. Limusa
México, 1993
22-27 pp.

Lecturas recomendadas

Introduction to Control System Technology (7th Edition),
Robert N., P.E. Bateson, Robert N. Bateson,
Prentice Hall; 7th edition,
706 Pp.

Control Systems Engineering
Norman S. Nise
John Wiley & Sons; 3rd edition
950 pages

Conclusiones

El control automático es un concepto que desde su aparición ha prevalecido en nuestras vidas y que lo seguirá haciendo por su gran importancia y aplicación a los procesos industriales.

Bajo este sentido, también es importante conocer que tipo de elementos o bien dispositivos se tienen para así poder controlar variables, tales como el desplazamiento, la presión, la temperatura, el potencial de hidrógeno, la velocidad, el peso, el flujo, entre otros.

Los dispositivos usados para le medición de variables ahorran trabajo y proporcionan exactitud en el proceso de algún proceso o producto.

El control de los procesos, el nivel de líquidos y sólidos contenidos en tanques y reactores, tolvas, etc., es una variable importante en la industria en general. Los dispositivos para la medida del nivel son muy variados,por ejemplos los Ultrasónicos y los nucleares son dispositivos muy complejos en la industria.

Para el estudio de la automatización de un proceso interesa el conocimiento de las relaciones existentes entre las variables de entrada y salida, normalmente en diversos procesos industriales es necesario controlar el peso de los materiales que se han de transformar, o ajustar la magnitud de las fuerzas actuantes.

Aprendimos que para la medición de las fuerzas, se da lugar a transductores que conviertan estas magnitudes en otras más fáciles de medir. La medición de las variables mencionadas con anterioridad debe hacerse con instrumento de medición directa, o bien se utilizan los llamados transductores, que son elementos que cambian la variable a otra para facilitar la medición, en este caso no existe alguna modificación del valor de la misma, ya que son equivalentes, el cambio sólo se realiza por la facilidad de la medición de dicha variable.

En la industria se debe manejar el concepto de transmisor el cual es un instrumento que capta la variable en proceso y la transmite a distancia a un instrumento indicador o controlador; pero en realidades eso y mucho más, la función primordial en la industria de la instrumentación y automatización, para el análisis de prueba en la calidad del instrumento.

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IVAN ESCALONA MORENO

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