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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
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).
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 10-50 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
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 1.700 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
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.