Mediciones. Sensores, transductores y transmisores

Transcripción

1 Mediciones La medición es uno de los vínculos entre el proceso a ser controlado y el sistema de control. Mediante la medición el sistema de control puede detectar si las variables que deben controladas se encuentran en el valor correcto, como en el caso del control por realimentación, o si algún cambio en el entorno del proceso puede afectarlo, como en el control por avanacción o feedforward. Nos ocuparemos del control por realimentación más adelante, y del control por avanacción en otra materia. Lo importante es que las mediciones constituyen los ojos de nuestro sistema de control. Sensores, transductores y transmisores Las variables que se controlan comúnmente son: Temperatura Caudal Presión Nivel Existen otros tipos de medición tales como densidad, velocidad, potencia, composición, etc. Generalmente estas magnitudes no pueden ser ingresadas directamente al sistema de control, si no que deben ser convertidas en señales adecuadas, por ejemplo eléctricas o neumáticas. Los dispositivos que se utilizan para llevar a cabo esta operación se llaman sensores o transductores. Se basan en el efecto que pueda tener alguna de estas variables en alguna propiedad física, por ejemplo en algunos metales, la resistividad varía con la temperatura. Al medir la resistencia de un elemento adecuado, se puede determinar indirectamente su temperatura. En el caso de la presión, sabemos que la misma es equivalente a presión por unidad de superficie. Si se expone una superficie flexible al fluido cuya presión se desea medir, la misma producirá una fuerza determinada, que se puede cuantificar de distintas maneras, por ejemplo por la tensión generada por un elemento piezoeléctrico. La señal generada puede tomar distintas formas: tensión, corriente, frecuencia, ancho de pulsos, etc. y no solamente eléctrica, puede ser también neumática (presión de aire proporcional a la variable medida). La figura muestra un sensor de presión absoluta Freescale MPXH6101A, para uso en

2 motores de combustión interna. Tiene una toma de presión y una serie de terminales, de los cuales se utilizan sólo tres, dos para alimentación y la tensión en el tercero es una fracción de la tensión de alimentación, proporcional a la presión medida. En muchas ocasiones la variable se mide indirectamente. Por ejemplo, se puede medir el nivel de agua en un tanque colocando un flotante y determinando su posición; o se puede colocar un medidor de presión conectado al fondo del tanque, la presión será proporcional a la altura del agua. Aunque estamos midiendo una presión, en realidad estamos interesados en el nivel de líquido que la produce. Dada la variedad de señales que pueden ingresar al sistema de control, sería poco práctico que estén preparados para cualquier señal; por lo tanto, en la industria se adoptan señales normalizadas, de manera que cualquier sensor que produzca una de estas señales pueda ser conectado a los equipos de control que las acepten. Señales neumáticas La más común y usada extensivamente en la industria es la de 3 a 15 psi (pounds per square inch, libras por pulgada cuadrada), donde la salida de 3 psi corresponde el menor valor de la escala y la de 15 psi al mayor. Estos instrumentos necesitan un suministro de aire a 20 psi para poder funcionar. Este suministro debe ser de aire limpio, sin humedad, aceite ni partículas sólidas. Transmisor de presión neumático. En la toma de la derecha, rotulada OUT, debe conectarse una fuente de aire a 20 psi ( aire de instrumentación ). En la toma de la izquierda, rotulada OUT, el transmisor genera una presión proporcional a la medición, en el rango de 3 a 15 psi (Foxboro modelo 13A).

3 El lazo de corriente Para instrumentos de control de procesos industriales, los lazos de corriente de 4-20 ma son los más utilizados, con 4 ma representando el extremo inferior de la gama y 20 ma el más alto. Las principales ventajas del lazo de corriente son que la precisión de la señal no se ve afectada por caída de tensión producida por la resistencia dell cableado de interconexión, y que el circuito puede suministrar energía eléctrica al dispositivo. Aún cuando exista una importante resistencia eléctrica en la línea, el circuito de salida del transmisor mantendrá la corriente correspondiente, siempre que no se exceda una resistencia máxima especificada. El cero vivo representado por 4 ma permite que el receptor detecte fallas en el lazo, y también permite que los transmisores sean alimentados por el mismo lazo de corriente (llamados transmisores de dos hilos). Dependiendo de la fuente de corriente para el circuito, los dispositivos pueden ser clasificados como activos (que suministran tensión) o pasivos. Por ejemplo, un controlador puede proporcionar energía a un transmisor de presión. El transmisor modula la corriente actual sobre el circuito para enviar la señal al controlador, y éste tiene un circuito que detecta la corriente. La tensión de alimentación generalmente es de 24 V, y es provista por el controlador. En el caso de que no sea así, se debe proveer una fuente externa. La relación entre la corriente en el lazo y la variable del proceso de medición es establecido por la calibración, que asigna a diferentes rangos de las unidades de la ingeniería para el lapso entre el 4 y 20 ma. La relación entre las unidades de la ingeniería y la corriente en el lazo puede ser invertida, de manera que 4 ma represente el máximo y los 20 ma el mínimo. Pueden utilizarse lazos de ma, aunque el más usual es el de 4-20 ma. La figura muestra un transmisor presión diferencial con salida de 4-20 ma. Transmisor de presión diferencial

4 La señal de tensión En algunos casos no es práctico utilizar señales de corriente, por ejemplo para aplicaciones de bajo consumo tales como totalizadores de caudal de gas. Estos equipos están preparados para operar en zonas remotas, alimentados por paneles solares. Como la medición depende de varias mediciones, el consumo de los lazos de corriente incidiría sobre la capacidad de los paneles solares, y por ende, sobre el costo. La señal de tensión más común es la de 1 a 5 V. Nòtese que se puede convertir una señal de 4-20 ma a una de 1-5 V mediante la inserción de una resistencia de precisión de 250 Ω dentro del lazo. Señales digitales Casi todos los instrumentos modernos están construidos con circuitos digitales para el procesamiento de la señal del sensor, debiéndose convertir en analógica para transmirla por ejemplo por un lazo de corriente. Existen normas que permiten enviar la medición en forma binaria, con las siguientes ventajas: No es necesario convertir la medición de digital a analógico y de analógico a digital. Las mediciones pueden transmitirse en unidades de ingeniería. Mediante el manejo de los mensajes, pueden conectarse varios instrumentos a la misma línea con el consiguiente ahorro de cableado. Los instrumentos pueden transmitir más de una variable (por ejemplo, presión y temperatura). Estudiaremos este tipo de comunicación más adelante, en otra unidad. Termocuplas y termorresistencias Existen dos tipos de sensores que cuya señal generalmente se utiliza directamente, sin recurrir a transmisores: las termocuplas y las termorresistencias. Ambas se analizan en profundidad en la materia Instrumentación Industrial. Una termocupla o termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce una tensión (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia. Existen varios tipos de termocupla dependiendo de la composición del par de metales Por ejemplo, en las termocuplas tipo K, uno de los conductores es de Chromel (aproximadamene 90% níquel y 10% cromo) y el otro es de Alumel (95% níquel, 2% manganeso, 2% aluminio y 1% silicio). Su rango de utilización es de -200 ºC a ºC y su sensibilidad es de aproximadamente 41 μv/ºc. Para este tipo de termocupla, la tensión producida a 500ºC es de alrededor de 20 mv. La relación entre la temperatura y

5 la tensión no es lineal. Los equipos de control pueden especificarse con entradas para este tipo de señales: rango de tensión del orden de los mv, compensación de temperatura de junta fría y linealización. El otro tipo de sensor es la termorresistencia o RTD (Resistance Temperature Detector). El principio de funcionamiento es la variación de resistividad con la temperatura que presenta la mayoría de los elementos. En la industria la más común es la termorresistencia de platino Pt100, que tiene una resistencia de 100 Ω a 0º C. También es muy utilizada la PT1000, que tiene 1000 Ω a 0º C. Por tratarse de medición de resistencia, existen técnicas para evitar que la resistencia de los cables influya en la medición.