Procesos industriales

Control y automatización. Automatismos. Variables y métodos de control. Sensores. Transmisores. Transferencia de calor

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(VIDEO I.) CONTROL RETROALIMENTADO.

PROCESOS.

Los procesos industriales se tienen su propósito principal el de transformar materias primas en un producto final. Durante el proceso de la producción de estos bienes, se tienen diversos procesos, ya sea que sean reutilizados los materiales, o se convierta energía para producir el producto final.

La instrumentación provee el significado del proceso de producción para asegurar que los productos sean elaborados apropiadamente.

Aunque hay varios procesos industriales y ninguno es idéntico es importante saber que los principios que aplica en los procesos son semejantes en sus principios.

Un proceso puede ser descrito como la secuencia de cambios en una sustancia.

La secuencia de cambios puede ocurrir en el aspecto químico, físico o ambos en la composición de una sustancia incluyendo parámetros como el flujo, nivel, presión, temperatura densidad volumen, acidez y gravedad especifica, así como muchos otros, También muchos procesos requieren de transferencia de energía. La mezcla de fluidos, el calentamiento o el enfriamiento de substancias, el bombeo de agua de un lugar a otro, el enlatado de comida, la destilación de gasolina, el pasteurizado de la leche, y convertir la luz solar en energía eléctrica todos pueden ser descritos como procesos. Cuando una sustancia es calentada, su temperatura y su composición puede cambiar. Cuando la luz solar es convertida en electricidad, pueden ocurrir cambios físicos como químicos.

VARIABLES.

En todo proceso tenemos diversas variables, las cuales afectan las entradas o salidas del proceso. Temperatura, nivel, flujo, presión, son las variables más comunes en los procesos industriales, las cuales son monitoreadas y controladas por medio de la instrumentación del proceso.

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SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN MEDICIÓN Y CONTROL DE VARIABLES.

Los instrumentos son diseñados para medir, indicar, controlar o almacenar la información de las variables del proceso, además de manipular mecanismos que controlen diversos estados de un proceso. Algunos procesos son muy similares, pero eso no significa que sean exactamente iguales, por lo tanto, no todos los procesos tienen las mismas necesidades de control.

La medición de una o más variables, hace posible determinar con certeza que sucede en un punto específico del proceso.

El sistemas de calefacción de una casa es ejemplo de un proceso, el cual tiene una variable controlada, el termostato de la calefacción indica el estado de la variable existente medida y controlada.

EL PROCESO DE CONTROL.

Un proceso industrial comienza con la medición de una variable. Por ejemplo, la temperatura del fluido del proceso fuera del intercambiador de calor es medida.

Esta información es utilizada para llevar a cabo una decisión acerca el proceso. Finalmente, se lleva a cabo la acción basada en la decisión tomada.

DIFERENCIAS ENTRE CONTROL MANUAL Y CONTROL AUTOMÁTICO.

Cuando se conduce un automóvil, el tripulante debe considerar ciertas variables. La velocidad es una de esas variables, la cual es necesaria para reunir información acerca de que tan rápido avanza el auto. El velocímetro indica la velocidad actual del auto. La velocidad límite del auto indica la velocidad deseada del auto. Estos valores pueden ser comparados para tomar una decisión. El estado actual de la variable comparado con el estado deseado es lo que determina una apropiada acción, con el objeto de aumentar o disminuir la velocidad, o simplemente no llevar a cabo ninguna acción.

Una vez que la decisión a sido tomada e implementada, el siguiente paso es verificar de nuevo la velocidad del auto, para determinar que efecto han tenido los cambios hechos con anterioridad. Cuando la información ha sido reunida, se ha tomado una decisión y realizado una acción, se dice que se lleva a cabo un control manual del auto. La decisión de aumentar, disminuir, o mantener la velocidad del auto, es realizada automáticamente por un instrumento. El control que se realiza por medio de instrumentos, se dice que es un control automático.

VARIABLES UTILIZADAS EN EL PROCESO DE CONTROL.

El lazo de control de un proceso es diseñado para tener todas las variables bajo control. el termino utilizado para llamar a la variable que a sido manipulada, es el de “VARIABLE MANIPULADA”. A la o las variables que han sido medidas con anterioridad se les denomina “VARIABLE MEDIDA”. De la misma manera, el termino utilizado para expresar el valor de ajuste, es “SET POINT”, y la diferencia entre el valor actual de la variable y el set point, se denomina “DESVIACIÓN”.

La acción es realizada para eliminar la desviación. En el proceso de control, la acción es el ajuste de la variable, a este ajuste se le denomina “VARIABLE MANIPULADA”.

En términos prácticos, el control es un ciclo continuo de medición, toma de decisión, y realizar una acción. El proceso de control es un lazo diseñado para mantener la variable controlada en el set point.

COMPONENTES DE CONTROL.

Un disturbio es un cambio en la demanda del sistema, usualmente es un factor fuera del lazo, el cual afecta la variable controlada. Con el fin de compensar los disturbios y mantener el control, el proceso de toma de decisión debe ser continuo.

Feedback es el termino utilizado para indicar una medición y respuesta continuas a la información generada. Esta es la forma mas simple de control. el termino usado para definir los instrumentos en un sistema de control da información, decide y toma acción en un sistema de control retroalimentado, es un lazo de control retroalimentado.

El lazo de control retroalimentado, incluye un censor, un transmisor, un controlador, y un elemento final de control. Censores, transmisores, y los elementos finales de control, a menudo están localizados en campo cerca del proceso. Los controladores, comúnmente se localizan en el cuarto de control.

El censor detecta el valor de la variable medida. El transmisor convierte la señal del censor a una señal normalizada y la envía al controlador. El controlador compara el valor de la señal transmitida con el set point y envía una señal de salida al elemento final de control. El elemento final de control es reposicionado para corregir la desviación provocada por los disturbios en el sistema.

SENSORES Y TRANSMISORES.

TIEMPO DE RESPUESTA.

Diversos factores determinan que censores deben usarse para monitorear una variable, como son tiempo de respuesta, exactitud, precisión. Los censores no responden inmediatamente, se requiere un periodo de tiempo para que los censores respondan a los cambios.

El termino “tiempo de respuesta” es utilizado para designar al tiempo que requiere un instrumento como puede ser un censor para responder a los cambios en la variable medida.

Como se menciona anteriormente, distintos factores son los que afectan el tiempo de respuesta del censor, como son el tipo de censor, la proximidad del censor a la variable medida. Por ejemplo, un instrumento de presión responderá a cambios en la presión en un par de segundos, mientras que un censor de temperatura tomará más tiempo para responder, porque el censor tiene que calentarse o enfriarse en respuesta a los cambios en la temperatura de la variable medida. Este efecto es conocido como retraso térmico.

Por ejemplo, el tiempo de respuesta de un censor de temperatura en un termopozo es mucho más largo que el de un censor posicionado en contacto directo de la variable medida. Similarmente, un censor de presión de aire que esta directamente conectado a la pipa, responderá más rápido que un censor idéntico conectado a la tubería del proceso y a una distancia mayor. Este efecto es conocido como retraso hidráulico.

DIFERENCIA ENTRE EXACTITUD Y PRECISIÓN.

Exactitud y precisión son características de los censores. Estos términos tienen diferentes significados en el contexto de los procesos de control.

El término exactitud es usado para denotar que tan estrechas son las lecturas de las mediciones de un instrumento, como puede ser un censor.

El término precisión es usado para designar que tan consistentes son las lecturas realizadas por un instrumento. Las diferencias entre exactitud y precisión son ilustradas en las siguientes gráficas.

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Nuevamente tenemos cuatro lecturas de presión, otra vez el valor de la presión actual es constante, pero podemos considerar que estas lecturas son precisas, porque las lecturas son consistentes y reproducibles.

La capacidad de un censor está determinada por tres características: tiempo de respuesta, exactitud, y precisión.

Censores de distintos tipos están disponibles para usarse en diferentes procesos, consecuentemente tenemos un vasto rango de posibles señales de salida. Por ejemplo, un censor puede proveer un movimiento mecánico, variación de flujo, variación de mili voltajes, variación en la resistencia o en la capacitancia. Cuando una o varias de estas señales es recibida por el transmisor, estas son convertidas a una señal estandarizada.

SEÑALES ESTÁNDAR MAS COMUNES.

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El censor mide el cambio el valor de la variable controlada retransmitido al transmisor, este convierte el valor en una señal estándar representando la medición. Esta señal es enviada al controlador para ser comparada con el set point.

Las señales electrónicas y neumáticas son referidas como una señal analógica porque cada tipo de señal puede asumir un valor en cualquier punto entre un valor mínimo y máximo predeterminado. Las señales ópticas usualmente son transmitidas en uno o dos estados: “on” ó “off”. Las señales que tienen solo dos valores discretos, son referidas comúnmente como señales digitales. En función de valores específicos a representar, las señales ópticas son transmitidas en series de pulsos “on” y “off”.

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL.

La posición del elemento final de control está determinada por los controladores. Específicamente la posición del elemento final de control está determinada por la o las señales representando el valor de la desviación que es transmitida al controlador.

El diseño de un elemento final de control está determinado por las necesidades de el sistema de control.

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL MAS COMUNES.

Válvulas de control, bombas, bombas de medición, relevadores, ventiladores con aspas ajustables, son algunos tipos de elementos finales de control más comunes. Otros tipos de elementos finales de control son: variadores de velocidad, bombas o compresores, y bandas ajustables de velocidad en sistemas de transportación. La aplicación es la que dicta que tipo de mecanismo es el adecuado para el control de las variables en el proceso.

Los elementos finales de control eléctricos, generalmente son activados por motores o solenoides. Las válvulas solenoides solo tienen dos posiciones: “abierto” o “cerrado”.

Las válvulas de control operadas neumáticamente son muy comunes en la industria. Muchas válvulas de control son operadas con actuadores neumáticos. In operación, aire a presión aplicado al diafragma del actuador causa una flexión, esta flexión posiciona la válvula.

OTROS LAZOS DE CONTROL.

El control en cascada a menudo puede controlar un proceso más precisamente que un sencillo lazo de control retroalimentado, porque el control en cascada permite que una segunda variable sea monitoreada en adición a la variable controlada. En aplicaciones del control de cascada, la selección de la segunda variable está basada en la capacidad para reflejar rápidamente cualquier disturbio a la variable manipulada. El control en cascada es un lazo de control instalado dentro de otro lazo de control.

Una aplicación semejante a la operación de mezclado es una en la cual el control en cascada puede ser aplicado. Con una sola variable monitoreada existente, el control no es tan preciso como se requiere. Asumimos que los químicos son bombeados hacia el tanque de mezclado y mantenidos a una temperatura controlada. Si la temperatura de la variable controlada, crece o decrece debajo del valor del set point, un censor transmite la señal al controlador. En respuesta, el controlador, reposiciona las válvulas de agua y vapor para subir o bajar la temperatura del vapor y agua en la cubierta del tanque. El ajuste con solo un lazo sencillo de control el sistema responderá bien a los cambios en la variable controlada, pero no podría responder eficientemente a los cambios en la variable manipulada, que en este caso es la presión. Un disturbio como una disminución en la presión del vapor podría afectar adversamente la etapa del control preciso requerido por la primera variable controlada (temperatura).

Una etapa más precisa de control puede ser obtenida por el monitoreo de la temperatura de la temperatura del agua y el vapor en adición a monitorear la temperatura del producto en el tanque. En este ejemplo. Un, segundo lazo de control es creado por la suma de dos componentes más al sistema, un censor y un controlador. El censor adicional monitorea la temperatura del agua y vapor. El controlador adicional, posiciona la válvula de vapor y agua. El segundo lazo es llamado lazo secundario o interior. El lazo primario o exterior, continua para responder a la temperatura del liquido en el tanque.

De tal manera que en lugar de posicionar directamente las válvulas de vapor y agua, la salida del controlador en el lazo primario ajusta el set point del controlador secundario. El controlador secundario posiciona las válvulas en repuesta a cambios en el set point.

El control proporcional a menudo es implementado en procesos en que los materiales deben ser mezclados en proporción a otro. Un controlador proporcional, mantiene una proporción predeterminada entre dos o más variables, usualmente flujo.

Por ejemplo, un producto requiere una parte de un material “A” por dos partes de un material “B”. con el control proporcional. La razón de flujo de uno de los materiales está determinada por partes específicas del proceso. Esta razón de flujo es esencialmente incontrolada y es comúnmente designada flujo deshabilitado. En suma, el control proporcional monitorea el valor de una variable y ajusta el valor de la segunda variable en razón de la primera variable.

El control retroalimentado es otro tipo de control usado cuando se requiere una mayor efectividad y precisión como puede proveer un lazo sencillo de control retroalimentado.

El control retroalimentado esta capacitado para compensar el sistema antes de que los disturbios afecten la variable controlada. En otras palabras, los disturbios son medidos y controlados antes que afecten el proceso.

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El diagrama ilustra un lazo de control retroalimentado monitoreando un intercambiador de calor. La temperatura de salida es la variable controlada. El suministro de vapor es la variable manipulada. Como la temperatura de salida del proceso varía, el controlador abre o cierra la válvula de vapor para subir o bajar la temperatura dentro del intercambiador de calor. Con este modo de control, puede desviarse desde el set point antes de que la acción de control sea aplicada. El lapso de tiempo entre el punto en el que la desviación ocurre y el punto en el que se realiza la acción correctiva, provoca que la temperatura del proceso varíe.

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Este diagrama ilustra un lazo de control feedforward es combinado con un control retroalimentado. Con el control feedforward, dos censores son usados para monitorear el proceso. Uno de los censores monitorea la temperatura que entra al proceso, mientras que el segundo monitorea la razón de flujo, basado en las señales de salida de los dos censores, el controlador calcula la cantidad de vapor necesaria para mantener el valor de la variable controlada. El resultado final es que la temperatura de la variable controlada, está más exacta o precisamente controlada.

Este tipo de control se utiliza en aplicaciones en las que no pueden tolerarse desviaciones en el set point. También es utilizado en combinación con el control retroalimentado para alcanzar el punto necesario de exactitud o precisión que la aplicación requiere.

(VIDEO II.) MODOS DE PROCESOS DE CONTROL.

CONTROL DE DOS POSICIONES.

Algunos procesos no requieren un control muy complejo, esos procesos operan con gran éxito con un alto rango de tolerancia. Otros procesos requieren un control mucho más complejo, por lo tanto el proceso es el que determina que tipo de control se requiere.

LA FUNCIÓN DEL CONTROLADOR EN UN PROCESO.

Los mecanismos en un proceso típico, incluyen un censor, un transmisor un controlador, y un elemento final e control. el censor mide el valor de la variable controlada, este valores convertido a una señal estándar por el transmisor. El transmisor envía esta señal al controlador. El controlador compara la señal con el set point, y basado en la desviación, decide cual es la acción adecuada a realizar.

La señal de salida del controlador posiciona el elemento final de control. el elemento final de control responde a la señal de salida cambiando el valor de la variable manipulada.

LOS CUATRO MODOS DE CONTROL.

Hay cuatro modos de control: control dos-posiciones, control proporcional, control integral, y el control derivativo.

Los modos de control proporcional, integral y derivativo son continuos. Un controlador puede estar equipado con uno o más modos de control continuo.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL CONTROL DE DOS POSICIONES.

En procesos en los que no se requiere un control muy preciso, el control dos-posiciones on/off, puede ser el adecuado. El funcionamiento del control dos-posiciones se ilustra en la siguiente figura. El líquido en el tanque puede ser mantenido en una temperatura específica, la temperatura es la variable controlada en este ejemplo. El vapor es la variable controlada.

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Los componentes en este lazo son: un censor, un transmisor, un controlador dos-posiciones, y un elemento final e control, que en este caso es un válvula. La válvula solo tiene dos posiciones: abierto o cerrado. Cualquier cambio en la temperatura del producto almacenado en el tanque es detectado por el censor, la señal detectada es transmitida al controlador. El controlador determina que la temperatura está por debajo del set point y envía una señal para abrirla válvula del vapor. La válvula abre incrementando el flujo de vapor (variable manipulada), para calentar el tanque.

Cuando el flujo de vapor en el tanque es iniciado, la temperatura regresará al valor del set point. La temperatura continuará subiendo hasta que una nueva acción sea tomada. Cuando la temperatura del líquido excede el set point, una señal para cerrar la válvula es enviada al elemento final de control, como se muestra en la siguiente figura.

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EFECTOS DEL CONTROL DOS-POSICIONES EN UN PROCESO.

En el ejemplo anterior se nota que el lazo de control no puede responder inmediatamente a los cambios. Dos factores son los que impiden la inmediata respuesta, el tiempo de respuesta del censor y el tiempo requerido por el líquido en el tanque para responder a los cambios en la variable manipulada.

Consecuentemente, el control dos-posiciones puede causar oscilaciones significativas en el proceso. Si el proceso puede tolerar las oscilaciones en la variable controlada, el control dos-posiciones es el adecuado. Si el proceso no tolera las oscilaciones, debe ser usado otro modo de control.

CONTROL PROPORCIONAL.

El control continuo, posiciona el elemento final de control en más d dos posiciones.

El control proporcional es usado a menudo en sistemas donde el valor de la variable controlada cambia constantemente en respuesta a los disturbios. El principio de operación del control proporcional puede ser ilustrado considerando como se controla la presión en un calentador. El vapor producido es la variable controlada. La proporción del flujo del combustible es la variable manipulada.

La dinámica del proceso, prohíbe el uso del modo de control dos-posiciones. El control dos-posiciones no puede mantener la presión del calentador dentro de los límites tolerables.

La acción de control proporcional puede tranquilizar mucho al control / proceso y reducir oscilaciones. Cuando el controlador proporcional recibe la señal del censor, esta es la presión transmitida por el vapor caliente, el controlador responde a cualquier desviación del set point en el elemento final de control. El elemento final de control, una válvula de control de combustible puede estar en posición abierta, cerrada, o en cualquier otra posición intermedia, también será posicionada en proporción a la desviación. La capacidad de ajustar la posición de la válvula, permite un mayor ajuste gradual del flujo de combustible como los cambios de presión de el calentador.

Los controladores proporcionales son diseñados para mantener una continua relación entre la variable controlada y la posición del elemento final de control.

El controlador responde a incrementos en la variable controlada, presión del calentador.

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Por ejemplo, in este sistema, Un censor monitorea la temperatura de la salida del fluido del proceso y envía una señal al transmisor. El transmisor retransmite la señal de temperatura al controlador. El controlador compara la señal de salida del transmisor con el set point y decide si es requerida una acción correctiva.

BANDA PROPORCIONAL.

El término banda proporcional designa la cantidad de cambios que necesita la entrada para proveer un completo rango de cambios a la salida, y puede ser calculado utilizando la siguiente ecuación:

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Por ejemplo, si la ganancia es 1.33, la banda proporcional es ajustada al 75%.

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Los cambios en la acción de control proporcional son expresados como cambios en ganancia proporcional. Ganancia proporcional es la relación del cambio en la entrada al cambio en la salida. La ganancia proporcional se puede calcular con la siguiente expresión:

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LOS EFECTOS DE CAMBIAR EL ANCHO DE BANDA DE UN PROPORCIONAL.

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La acción de control proporcional tomada en el sistema, ha sido ajustada a la mitad en la entrada, es necesario para abrir o cerrar completamente la válvula. En entonces la misma salida sería alcanzada con la mitad de la entrada. Porque solo el 50 por ciento de entrada es requerido para obtener un rango completo de salida, la banda proporcional es del 50 por ciento y la ganancia es 2.

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El efecto opuesto puede ser alcanzado ajustando la banda proporcional en la dirección opuesta. Tomando un cambio en el rango completo de la entrada, representa un cambio del 50 por ciento en la salida. El resultado es que la misma entrada alcanza solo la mitad, tanto como la salida.

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la banda proporcional es igual 200% y la ganancia es de 0.5

Una banda proporcional ancha o una ganancia baja corresponde a una baja respuesta. Una banda proporcional angosta o una ganancia alta, corresponde a una mayor respuesta.

CONTROL PID.

IMPORTANCIA DE TENER LA CANTIDAD APROPIADA DE CONTROL PROPORCIONAL.

Una apropiada acción de control provee una rápida respuesta,

Cuando la acción proporcional es excesiva, pequeñas desviaciones desde el set point resultan en cambios significativos en la salida. Con una insuficiente acción de control, virtualmente no hay control; grandes cambios en la entrada solo causan cambios pequeños en la salida. Generalmente una acción de control adecuada está entre alguno de estos dos extremos.

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Este es el efecto de una banda proporcional que es demasiado angosta. El pequeño cambio relativo en el set point resulta en un cambio significativo en la salida, causando un efecto de oscilación similar al de la acción de control dos-posiciones.

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Por el otro lado, una banda proporcional que es demasiado ancha, también crea dificultades. Un gran cambio en la entrada causa un pequeño cambio en la salida, OFFSET.

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El termino utilizado para expresar la diferencia entre el set point y el valor de la variable de proceso es “offset”. El offset es inherente al modo de control proporcional, y puede ser corregido, porque el control proporcional produce correcciones proporcionales a las desviaciones.

FUNCION DEL CONTROL INTEGRAL.

Los controladores proporcionales industriales usualmente tienen una segunda acción de control para eliminar el offset con la misma secuencia de pasos, chequeo, ajuste, y rechequeo del estado de la variable controlada hasta que regrese al set point.

La acción integral a menudo es llamada reajuste (reset) porque reajusta (resetea) la salida del controlador hasta que el set point sea alcanzado. La acción de reajuste (reset) está determinada en “repeticiones por minuto” o “minutos por repetición”.

Idealmente, la proporción en que acción integral es implementada, no se tiene un impacto negativo en la estabilidad del proceso. El único tipo de aplicación en la que el periodo de tiempo no es un problema, es en el control de flujo.

La acción de control integral es adicionada al controlador feedforward en lazos de flujo para proveer una acción de amortiguamiento o filtración para el lazo. La acción de control puede regresar la variable del proceso al set point tan rápido como sea posible, sin provocar grandes oscilaciones en el sistema. Esta acción de control puede ser ajustada de la misma manera que la acción proporcional. El control integral no puede ser usado para estabilizar un proceso, esta diseñado para eliminar el offset.

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Esta ilustración muestra el efecto de la acción integral de control. la acción integral provee salida al elemento final de control hasta que el proceso regresa al set point. Cuando el control proporcional es combinado con el control integral, la acción de control proporcional es repetida hasta que el elemento final de control es posicionado para corregir el offset.

DESCRIPCION DEL CONTROL DERIVATIVO.

Las acciones proporcional e integral, pueden ser combinadas con las acción derivativa para compensar los procesos que tienen una respuesta lenta.

La acción derivativa responde tan rápido como ocurre la desviación del set point. El control PID es el más complejo de los modos de control.

En función de su puesta a punto, los controladores PID requieren tres ajustes. De tal forma es propiamente ajustada, el controlador puede proveer un control muy preciso del proceso. Los controladores PID son comúnmente encontrados en procesos en donde la temperatura es la variable controlada, porque el tiempo de respuesta es relativamente lento.

El control derivativo habilita al controlador para responder más rápido y posicionar el elemento final de control más rápido que con solo las acciones proporcional e integral.

(VIDEO III.) PROCESOS Y SISTEMAS.

CARACTERÍSTICAS.

Aunque hay muchos procesos industriales y ninguno es idéntico es importante saber que los principios que aplica en los procesos son semejantes en sus principios.

Un proceso puede ser descrito como la secuencia de cambios en una sustancia.

La secuencia de cambios puede ocurrir en el aspecto químico, físico o ambos en la composición de una sustancia incluyendo parámetros como el flujo, nivel, presión, temperatura densidad volumen, acidez y gravedad especifica, así como muchos otros, También muchos procesos requieren de transferencia de energía. La mezcla de fluidos, el calentamiento o el enfriamiento de substancias, el bombeo de agua de un lugar a otro, el enlatado de comida, la destilación de gasolina, el pasteurizado de la leche, y convertir la luz solar en energía eléctrica todos pueden ser descritos como procesos. Cuando una sustancia es calentada, su temperatura y su composición puede cambiar. Cuando la luz solar es convertida en electricidad, pueden ocurrir cambios físicos como químicos.

Diferencia entre un sistema y un proceso.

Frecuentemente en el pasado él termino proceso era aplicado a la planta, esto es como designar proceso como válvulas y equipos que sé necesitar para fabricar el producto. Por ejemplo la descripción de un proceso para enfriar agua en un intercambiador de tubo concha, esto puede definir las acciones necesarias para alterar la temperatura pero también identifica el instrumento usado para hacer el trabajo. Para usar el termino adecuadamente el proceso puede describir que esta ocurriendo sin el sistema.

La observación directa de las acciones necesarias para casi todos los procesos no es posible, pero la observación o monitoreo de los parámetros de un proceso, es un aspecto critico para el control. Consecuentemente, los procesos pueden ser monitoreados y controlados a través del uso de varios instrumentos. Los sistemas de instrumentación y su aplicación son con el propósito de observación, monitoreo y control. El sistema tiene las decisiones y las componentes de control necesarias para mantener dentro de los propios limites. En la mayoría de los casos, los parámetros de los procesos se refieren a las variables del proceso. Las variables son diferentes de acuerdo a la naturaleza de un proceso especifico, pero las cuatro variables mas comunes son temperatura, presión, nivel y fluido.

Definición de fluido de trabajo.

En los procesos donde se requiere mas de un fluido, los fluidos son descritos de acuerdo a su función en el proceso. En otras palabras, termino de fluido de trabajo diferencia del fluido, por que es el que se encarga de realizar una función en el proceso.

Supongamos que el vapor es utilizado en un proceso para calentar agua, esto se hace en un intercambiado de tubos, el vapor el fluido de trabajo, este calienta el agua al hacer contacto con en el interior de los tubos, después el fluido de trabajo va afuera de l intercambiador en forma condensada y después puede ser regresado a una caldera para volverse vapor nuevamente. El fluido que pasa a través de los tubos del intercambiador continua a la siguiente etapa del proceso.

Descripción de un sistema abierto y un sistema cerrado.

Los sistemas de proceso de fluidos pueden ser designados como sistemas abiertos o sistemas cerrados. Esto se basa en la forma en que el fluido pasa a través del sistema. En un sistema cerrado él liquido de trabajo permanece en el sistema. En un sistema abierto el fluido se pierde.

Un ejemplo de un sistema cerrado es el aire acondicionado. En un sistema de aire acondicionado, el fluido de trabajo como el FREON, circula a través del enfriador y este es impulsado por un ventilador, aunque el FREON cambia de estado de liquido a gas, este no se pierde en el sistema, este pasa por el condensador y se repite el ciclo.

En un sistema abierto el fluido se pierde en el sistema, un ejemplo es un sistema de calentamiento por medio de quemadores o. En un sistema de combustión, los fluidos son gases calientes que resultan de la combustión del combustible y el aire. Pero después de la combustión estos gases se pierden y son expulsados a la atmósfera.

Un ejemplo de estos sistemas son los automóviles, la gasolina es el fluido de trabajo, cuando se mezcla en el carburador con el aire la gasolina, hace una combustión en los cilindros, después de lo cual estos son expulsados por medio del tubo de escape.

EL PROCESO DE LA ENERGÍA.

La energía existe en muchas formas, La energía mecánica esta asociada con objetos u operaciones que pueden ser vistas a simple vista. La energía térmica es energía asociada con el movimiento de las moléculas. La energía química se muestra a través de una reacción de los átomos y las moléculas como ocurre en la combustión. Hay energía asociada a partículas mas pequeñas que los átomos como la energía eléctrica, los rayos X y las ondas de radio.

Definición de la energía y su relación con el fluido de procesos.

En aplicaciones industriales, como el proceso de fluidos, energía puede ser definida como la capacidad de un material para trabajar.

En plantas industriales muchos componentes del sistema como máquinas son impulsadas por motores eléctricos energizados por energía eléctrica. La energía eléctrica también alimenta iluminación y sistemas sofisticados de instrumentación y control. Las calderas y los sistemas de quemadores convierten la energía química en energía de combustión. En los procesos de fluido los fluidos de trabajo tienen la capacidad de contener energía y realizar un trabajo.

También la energía puede ser clasificada como energía almacenada o energía en transmisión.

La energía almacenada esta se guarda en algunas sustancias o un sistema, la energía en transición, que se manifiesta como trabajo, la energía en proceso es transferida de un medio a otro. Toda la energía en transición comienza o termina como energía almacenada. Cuando la energía es almacenada en un sistema por su posición de dos o mas substancias o partículas, es llamada energía potencial. Cuando la energía es almacenada en un sistema por su velocidad relativa de dos o mas partículas es llamada energía cinética.

Definición de energía potencial, energía cinética y energía interna.

La energía potencial es esencialmente energía en posición. La energía cinética es energía en movimiento y la energía interna es la energía del movimiento de una sustancia.

Un liquido almacenado en un tanque puede ejemplificar la energía potencial. La presión también influye en la energía potencial, en el fluido del proceso, incrementando la presión de un fluido se requiere de una adición de energía. La energía potencial en un fluido presurizado aumentara la capacidad de trabajo al aumentar la presión. Tal como la energía necesaria para bombear un fluido en un tanque elevado es mayor que para un tanque a una altura mas baja.

Muchas aplicaciones de procesos usan energía potencial guardados en aire comprimido para operar actuadores de válvulas de control y otros dispositivos de control y de instrumentación. En muchos casos es utilizado un compresor de aire para aumentar la presión del aire. El aire a presión es almacenado hasta que es necesario. Una vez que el aire es liberado este se convierte energía cinética o en energía en movimiento.

La energía cinética es definida como energía en movimiento. La energía cinética es determinada por la velocidad y la masa de la materia. Los movimientos mas rápidos del fluido, mueve una cantidad mayor de aire y por consecuencia aumenta la energía cinética, esta por lo tanto es capaz de realizar una cantidad mayor de trabajo.

Hay ventaja de utilizar los generadores eléctricos accionados por turbinas de vapor. La turbina utiliza vapor el flujo de vapor como fuente de energía, convirtiendo la energía cinética en vapor y de ahí en movimiento mecánico para hacer girar el generador.

La energía potencial asociada la fuerza gravitacional de la tierra y otros cuerpos nos da muchos ejemplos de cómo la energía potencial es almacenada en los cuerpos. Por ejemplo una roca que resiste en una parte alta, cuando esta cae libremente cuando es empujada, justo antes cuando es empujada esta tiene una energía potencial.

La energía cinética es almacenada en un sistema de velocidades relativas de las partes que componen el sistema.

En este ejemplo una fuerza externa que es una energía fuera del sistema es utilizada para “arrancar el sistema”. En este caso la energía que es utilizada para empujar la roca.

Para entender esto, la energía potencial y la energía cinética es mutuamente intercambiable, en el caso anterior la altura de la donde es arrojada la piedra, como la caída, el sistema pierde energía potencial pero gana energía cinética conforme tiempo aumenta y la roca se acerca al suelo. La suma de la energía potencial y la energía cinética es idéntica en todos los puntos a través de la línea de caída, pero las proporciones de energía potencial y energía cinética cambian conforme la roca va cayendo.

Midiendo el paso en libras y la distancia en pies la energía almacenada en el sistema por causa de la elevación será medida en una unidad llamada en pies-libra.

Ep = Energía potencial ft/lb

W = Peso del cuerpo

D = Distancia

La magnitud de energía cinética es proporcional a la masa y el cuadrado de la velocidad del objeto que tiene una velocidad con respecto a otro objeto esto es:

Donde:

Ek= energía cinética ft/lb

M = Masa

V = velocidad del cuerpo ft/sg

Cuando es mas conveniente utilizar peso del cuerpo que la masa, la formula es:

Donde W es el peso del cuerpo.

Con estas ecuaciones se define el trabajo como la energía en transición; esto es el trabajo es una transición de la energía que ocurre son entre dos o mas formas de energía.

El trabajo también puede ser como la energía que se transfiere por la acción de la fuerza a través de la distancia:

Donde

Ewk = trabajo ft / lb

F = Fuerza

D = Distancia

En el caso del trabajo realizado contra la gravedad la fuerza es la misma que el peso del objeto o el cuerpo a desplazar.

La energía térmica asociada con sistemas de moléculas, como la energía mecánica, también puede ser almacenada como energía en transición. La energía térmica en transición es llamada calor. La energía térmica es almacenada como energía interna y es definida como la energía almacenada en una sustancia o un sistema en una parte en movimiento de moléculas o la fuerza de atracción de las moléculas.

En un proceso de fluido, la cantidad de energía interna contenida en los fluidos en el fluido es determinada por la actividad de las moléculas del fluido.

La energía interna puede ser clasificada como energía potencial o energía cinética. Como energía potencial, es la energía asociado con las fuerzas de atracción que existe entre las moléculas. La magnitud de la energía potencial interna depende tanto de la masa de las moléculas y la distancia promedio por la cual están separadas, comparando con la energía mecánica depende de la masa de los cuerpos y la distancia por la cual es separada. La fuerza de atracción entre las moléculas es mas grande en sólidos, menos en los líquidos y substancias viscosas.

El calor es energía térmica en transición, como el trabajo, el calor es una transición de la existencia de dos o más formas de energía. El flujo de calor solo es posible cuando existe una diferencia de temperaturas entre dos objetos o dos regiones.

La temperatura es un reflejo de la cantidad de energía cinética que tiene un objeto una sustancia y es considerada como una propiedad de la materia. El movimiento o flujo de energía térmica o calor es atribuido a la energía del sistema, también atribuido a un componente del sistema. El movimiento de las moléculas dentro de un fluido, o en otra sustancia, aumenta si el calor de la misma incrementa.

MEDICIÓN Y TEMPERATURA.

La temperatura es la medida o cantidad de calor que contiene una sustancia.

La temperatura también puede ser descrita como un reflejo de la cantidad de energía cinética poseída por un objeto o una sustancia, y es por lo tanto, un atributo o propiedad de las substancias.

Los valores de la temperatura son en ocasiones ocupados para describir, cuanto calor o frió tiene un fluido en un proceso.

Las cuatro escalas mas ocupadas en la industria de instrumentación y control son la Fahrenheit, Celsius, Rankine y Kelvin; estos se representan por las letras F, C R y K respectivamente, estas se utilizan para indicar su relativa escala.

Desde 1945 tanto la escala Fahrenheit como la escala Celsius fueron basadas como dos escalas fáciles de duplicar en sus puntos de referencia, el punto de congelamiento y el punto de evaporación.

La temperatura en congelación es una mezcla de una mezcla de agua y hielo que esta en equilibrio con el aire saturado a una presión de una atmósfera.

La temperatura de evaporaciones la temperatura a la que el vapor y el agua esta en equilibrio a una presión de una atmósfera (atm)

En la escala Fahrenheit el punto asignado al congelamiento es de 32 y el de ebullición es de 212. En la escala Celsius estos puntos son 0 para el congelamiento y 100 para la ebullición.

En la Décima conferencia de Pesos y Medidas en 1954 La escala Celsius fue redefinida como el punto triple del agua, es decir la escala donde el agua podía estar en estado sólido, liquido y gas en temperaturas de un gas ideal en una escala de temperatura.

El desarrollo de una escala de temperatura para el gas es basado en una medición teórica que comprende la constante de volumen. Esto se refiere a la medición de temperatura de un gas ideal y es representada por la ecuación:

Donde la presión es asociada con el triple punto del agua que es 273.16 y esta designado por Ptp Por definición de un gas ideal, cualquier otra temperatura (T) puede se determinada por la medición de la temperatura en esta relación.

Diferencia entre escala Celsius y FAHRENHEIT.

La formula para convertir de grados Fahrenheit a grados Celsius es:

La formula para convertir de grados Celsius a Fahrenheit es:

Relación de escalas entre Rankine, Kelvin Fahrenheit y CELSIUS.

Procesos industriales

La escala Rankine y la escala Kelvin están basadas principalmente en el cero absoluto, que es el punto donde teóricamente no existe la actividad molecular.

CALOR Y TRANSFERENCIA DE CALOR.

El calor es la energía en transición.

El calor es medido normalmente en la unidad llamada British Thermal Unit (Btu). Originalmente un Btu estaba definido como la cantidad de calor necesaria para elevar una libra de agua un grado Fahrenheit. Una unidad similar es la caloría (Cal), la cual se define como la cantidad necesaria de calor para elevar un grado Celsius un gramo de agua.

Aunque ambas medidas siguen vigentes pero las definiciones fueron abandonadas por un acuerdo internacional, el Btu y la caloría son definidas por una unidad de energía llamada Joule, Se estableció la siguiente relación.

1 caloría = 1 Watt - hora / 860

= 4.18605 joules

=3.0880 foot - pounds

1 Btu = 251.996 calorías

=778.26 foot - pounds

=1054.886 joules.

Transferencia de calor por conducción, convección y radiación.

El flujo de calor o la transmisión de energía térmica de un cuerpo, sustancia o región a otra, siempre toma lugar de una región de alta temperatura a una región de mas baja temperatura.

En termodinámica, la temperatura mas alta que también puede ser llamada la región emisora, la temperatura mas baja puede ser la región de recepción.

Existen tres formas en que se realice la transmisión de calor, la conducción y la radiación son las principales formas de transmisión de calor, la convección esta relacionada con una clase especial de proceso que mueve una masa o un fluido de un lugar a otro.

Conducción.

Es el flujo de calor a través de la superficie de un conductor sólido. El calor transferido a través de las paredes de los tubos en una caldera es conducción, El calor de una flama o una combustión de gases que pasa a través de las paredes de un tubo es transferido de la mezcla de agua y vapor que fluye a través de los tubos.

Otro concepto de la transferencia de calor en la cual el calor fluye de una región de mas alta temperatura a una región mas fría en la que hay contacto físico entre las dos.

Radiación.

La radiación es la transmisión de calor por medio de ondas de energía, similares a las ondas de la luz. La radiación es diferente de la conducción en que no se requiere de un medio para la transferencia de calor, sin embargo esta puede darse únicamente de forma directa y sin obstáculos en la línea de la señal entre la sustancia que emite el calor y la sustancia que recibe el calor transferido.

Convección.

La convección es la transferencia de calor que circulación de un fluido que se mantiene caliente, Esta puede ser natural o forzada. La convección forzada ocurre cuando se utilizan bombas, ventiladores u otros dispositivos causan el movimiento de los fluidos.

La convección natural ocurre cuando en las calderas cuándo el calor es transmitido del deposito al super calentador con la circulación de gases de una área a otra.

LAS TRES FASES DE LA MATERIA.

Las tres fases fundamentales de la materia físicamente son 3 sólido, liquido y gaseoso.

El estado físico de una sustancia esta íntimamente ligado a la distancia que hay entre sus moléculas. Las moléculas que están mas cercanas ente si son llamadas sólidos, las que están un poco mas separadas son los líquidos y las mas separadas son los gases. Cuando el flujo de calor de una sustancia no se refleja en un cambio de temperatura, se entiende que la energía esta siendo utilizada para incrementar la distancia entre sus moléculas de la sustancia y están sufriendo un cambio de sólido a liquido o de liquido a gas.

CALOR LATENTE Y CALOR SENSIBLE

El calor latente no causa un cambio de temperatura, en cambio el calor sensible si lo causa.

El flujo de calor no se refleja en un cambio de temperatura de una sustancia que esta en un proceso de cambio de forma de estado a otro. Cuando el flujo de calor no se refleja en el cambio de temperatura, pero si en el cambio físico de la sustancia, se entiende que el calor latente a sido agregado o retirado. El calor latente aumenta la cantidad de energía potencial almacenada en una sustancia, pero esto no resulta en un incremento de la cantidad de energía cinética hasta que haya un cambio en el estado ocurra.

La relación entre temperatura y calor sensible es cuando el flujo de calor se refleja en un cambio de la temperatura ocurre cuando el calor sensible ha sido agregado a una sustancia. El calor sensible no incrementa la cantidad de energía potencial o cinética almacenada en la sustancia.

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