Instrumentación Industrial – 8a Ed

El conocimiento del funcionamiento de los instrumentos de medición y de control, y su papel dentro del proceso que intervienen, es básico para quienes desarrollan su actividad profesional dentro de este campo, obra los ofrece de forma ordenada y didáctica, sin grandes alardes matemáticos (aunque sí se necesita una base mínima para comprender algunos aspectos)., también trata los términos y códigos empleados en instrumentación, transmisores, medición y control de presión, caudal, nivel, temperatura y otras variables, elementos finales de control, control automático, control por ordenador, instrumentos inteligentes, errores y calibración de instrumentos, aplicaciones y los principios básicos del análisis dinámico de los instrumentos.

La parte medular es el capitulo dedicado al control automático. Se han actualizado las imágenes para presentar instrumentos, reales junto con esquemas sistemas y procesos en su contexto para que puedan ser identificados en la planta.

Ventajas Competitivas:

• Los principios de la modelación al diseño de sistemas de control automático de procesos.
• Conceptos básicos de la medición e instrumentación.
• Principios y métodos de medición de variables.
• Sistema de adquisición de datos.

Aprenda

• Analizar los diferentes tipos de errores.
• Identificar el comportamiento estático y dinámico de los sistemas e instrumentos de medición.

Examinar los principios de operación y funcionamiento de los sensores e instrumentos empleados en la medición de variables físicas y químicas tales como:

• Caudal.
• Flujo.
• Nivel.
• Peso.
• Presión.
• Radiación.
• Temperatura.
• Velocidad.
• Volumen y otras variables físicas.

Contrastar los principios de funcionamiento y características de instrumentos de medición de distintas variables.

Realice

• La Medición de variables físicas y químicas.
• La selección del tipo de control a utilizar.
• El análisis ajuste y calibración de instrumentos de para la adquisición de datos y el control de procesos.
• El manejo de sensores, transductores y actuadores, reales y virtuales.
• La configuración de los sistemas de adquisición de datos desde la etapa de detección hasta el procesamiento de señales de control y despliegue de información.
• La Instrumentación de procesos industriales.

1. Generalidades ………………………………………………………………………… 1
1.1 Introducción …………………………………………………………………………………………………….1
1.2 Defi niciones en control ……………………………………………………………………………………3
1.2.1 Campo de medida …………………………………………………………………………………………………….. 4
1.2.2 Alcance ……………………………………………………………………………………………………………………… 4
1.2.3 Error …………………………………………………………………………………………………………………………. 5
1.2.4 Incertidumbre de la medida ………………………………………………………………………………………. 6
1.2.5 Exactitud …………………………………………………………………………………………………………………. 14
1.2.6 Precisión …………………………………………………………………………………………………………………. 16
1.2.7 Zona muerta ……………………………………………………………………………………………………………. 16
1.2.8 Sensibilidad ……………………………………………………………………………………………………………… 16
1.2.9 Repetibilidad ……………………………………………………………………………………………………………. 16
1.2.10 Histéresis ……………………………………………………………………………………………………………….. 17
1.2.11 Otros términos ……………………………………………………………………………………………………… 18
1.2.12 Ejemplos generales de características de instrumentos ………………………………………….. 20
1.3 Clases de instrumentos …………………………………………………………………………………..21
1.3.1 En función del instrumento …………………………………………………………………………………….. 22
1.3.2 En función de la variable de proceso ………………………………………………………………………. 26
1.3.3 Código de identifi cación de los instrumentos ………………………………………………………….. 26
2. Transmisores ……………………………………………………………………….. 63
2.1 Generalidades ………………………………………………………………………………………………..63
2.2 Transmisores neumáticos ……………………………………………………………………………….64
2.3 Transmisores electrónicos ………………………………………………………………………………65
2.4 Transmisores digitales …………………………………………………………………………………….66
2.4.1 Transmisor inteligente capacitivo …………………………………………………………………………….. 67
2.4.2 Transmisor inteligente piezoresistivo ………………………………………………………………………. 67
2.4.3 Ventajas e inconvenientes ………………………………………………………………………………………… 68
2.5 Transmisión de señales por radio ……………………………………………………………………71
2.6 Comunicaciones …………………………………………………………………………………………….72
2.6.1 Protocolos serie ………………………………………………………………………………………………………. 72
2.6.2 Protocolos híbridos …………………………………………………………………………………………………. 74
2.6.3 Protocolos abiertos …………………………………………………………………………………………………. 76
2.7 Tabla comparativa de transmisores …………………………………………………………………88
3. Medidas de presión …………………………………………………………….91
3.1 Unidades y clases de presión …………………………………………………………………………..91
3.2 Elementos mecánicos …………………………………………………………………………………….92

3.3 Elementos electromecánicos…………………………………………………………………………..96
3.4 Elementos electrónicos de vacío …………………………………………………………………. 100
4. Medidas de caudal ……………………………………………………………….105
4.1 Medidores volumétricos ……………………………………………………………………………… 106
4.1.1 Instrumentos de presión diferencial ……………………………………………………………………….106
4.1.2 Área variable (rotámetros) ………………………………………………………………………………………143
4.1.3 Velocidad ………………………………………………………………………………………………………………..153
4.1.4 Fuerza (medidor de placa) ………………………………………………………………………………………161
4.1.5 Tensión inducida (medidor magnético)…………………………………………………………………..162
4.1.6 Desplazamiento positivo ………………………………………………………………………………………..175
4.1.7 Remolino y vórtex ………………………………………………………………………………………………….179
4.2 Medidores de caudal masa …………………………………………………………………………… 182
4.2.1 Medidores volumétricos compensados …………………………………………………………………..182
4.2.2 Medidores térmicos de caudal ………………………………………………………………………………..185
4.2.3 Anemómetro de hilo caliente …………………………………………………………………………………186
4.2.4 Medidor de Coriolis ……………………………………………………………………………………………….189
4.3 Comparación de características de los medidores de caudal ………………………… 193
5. Medición de nivel …………………………………………………………………195
5.1 Medidores de nivel de líquidos …………………………………………………………………… 195
5.1.1 Instrumentos de medida directa ……………………………………………………………………………..196
5.1.2 Instrumentos basados en la presión hidrostática…………………………………………………….200
5.1.3 Instrumento basado en el desplazamiento …………………………………………………………….208
5.1.4 Instrumentos basados en características eléctricas del líquido ………………………………..211
5.1.5 Medidor de nivel de ultrasonidos ……………………………………………………………………………215
5.1.6 Medidor de nivel de radar o microondas ……………………………………………………………….217
5.1.7 Medidor de nivel de radiación ………………………………………………………………………………..220
5.1.8 Medidor de nivel láser ……………………………………………………………………………………………223
5.1.9 Otros fenómenos ……………………………………………………………………………………………………224
5.1.10 Medidor másico de nivel ………………………………………………………………………………………225
5.2 Medidores de nivel de sólidos ……………………………………………………………………… 226
5.2.1 Detectores de nivel de punto fi jo ……………………………………………………………………………228
5.2.2 Detectores de nivel continuos ………………………………………………………………………………..230
6. Medida de temperaturas ……………………………………………………….235
6.1 Introducción ……………………………………………………………………………………………….. 235
6.2 Termómetro de vidrio …………………………………………………………………………………. 236
6.3 Termómetro bimetálico ………………………………………………………………………………. 236
6.4 Termómetros de bulbo y capilar …………………………………………………………………. 237
6.5 Termómetros de resistencia ……………………………………………………………………….. 240
6.6 Termistores …………………………………………………………………………………………………. 251
6.7 Sensores de temperatura de semiconductor ………………………………………………… 253
6.8 Termopares ………………………………………………………………………………………………… 254

6.8.1 Leyes, curvas y tablas características, tubos de protección y su selección ……………….254
6.8.2 Compensación de la unión fría ……………………………………………………………………………….294
6.8.3 Circuitos galvanométrico, potenciómetrico y digital ……………………………………………….295
6.8.4 Verifi cación de un instrumento y de un termopar ………………………………………………….297
6.8.5 Normas técnicas ……………………………………………………………………………………………………298
6.9 Pirómetros de radiación ……………………………………………………………………………… 299
6.9.1 Pirómetros ópticos de desaparición de fi lamento …………………………………………………..302
6.9.2 Pirómetro de infrarrojos …………………………………………………………………………………………302
6.9.3 Pirómetro fotoeléctrico …………………………………………………………………………………………303
6.9.4 Pirómetro de dos colores ……………………………………………………………………………………….305
6.9.5 Pirómetro de radiación total …………………………………………………………………………………..306
6.9.6 Otros fenómenos ………………………………………………………………………………………………….309
6.10 Velocidad de respuesta de los instrumentos de temperatura ……………………… 310
6.11 Tabla comparativa de características ………………………………………………………….. 314
7. Otras variables ……………………………………………………………………..317
7.1 Variables físicas …………………………………………………………………………………………… 317
7.1.1 Peso ………………………………………………………………………………………………………………………..317
7.1.2 Velocidad ………………………………………………………………………………………………………………..323
7.1.3 Densidad y peso específi co …………………………………………………………………………………….326
7.1.4 Humedad y punto de rocío …………………………………………………………………………………….338
7.1.5 Viscosidad y consistencia ……………………………………………………………………………………….351
7.1.6 Llama ……………………………………………………………………………………………………………………..359
7.1.7 Oxígeno disuelto …………………………………………………………………………………………………….364
7.1.8 Turbidez …………………………………………………………………………………………………………………366
7.1.9 Intensidad de radiación solar ………………………………………………………………………………….367
7.2 Variables químicas ………………………………………………………………………………………. 368
7.2.1 Conductividad en medio líquido …………………………………………………………………………….368
7.2.2 pH ………………………………………………………………………………………………………………………….370
7.2.3 Redox (potencial de oxidación-reducción) ……………………………………………………………..374
7.2.4 Concentración de gases ………………………………………………………………………………………….376
8. Elementos fi nales de control …………………………………………………381
8.1 Válvulas de control ……………………………………………………………………………………… 381
8.1.1 Generalidades …………………………………………………………………………………………………………381
8.1.2 Tipos de válvulas ……………………………………………………………………………………………………382
8.1.3 Cuerpo de la válvula ……………………………………………………………………………………………….388
8.1.4 Tapa de la válvula o casquete ………………………………………………………………………………….390
8.1.5 Partes internas de la válvula. Obturador y asientos …………………………………………………395
8.1.6 Corrosión y erosión en las válvulas. Materiales ………………………………………………………396
8.1.7 Características de la válvula …………………………………………………………………………………….402
8.1.8 Servomotores …………………………………………………………………………………………………………414
8.1.9 Accesorios ………………………………………………………………………………………………………………435
8.1.10 Válvula inteligente ………………………………………………………………………………………………..446

8.1.11 Dimensionamiento de la válvula. Coefi cientes Cv y Kv ………………………………………447
8.1.12 Ruido en las válvulas de control ……………………………………………………………………………485
8.2 Otros elementos fi nales de control ……………………………………………………………… 493
8.2.1 Rectifi cadores controlados de silicio ………………………………………………………………………493
8.2.2 Bombas dosifi cadoras …………………………………………………………………………………………….496
8.2.3 Actuadores de velocidad variable ……………………………………………………………………………497
8.2.4 Elementos fi nales varios ………………………………………………………………………………………..497
9. Regulación automática …………………………………………………………499
9.1 Introducción ……………………………………………………………………………………………….. 499
9.2 Características del proceso ………………………………………………………………………….. 499
9.3 Tipos de control ………………………………………………………………………………………….. 504
9.3.1 Control todo-nada ………………………………………………………………………………………………….504
9.3.2 Control fl otante …………………………………………………………………………………………………….506
9.3.3 Control proporcional de tiempo variable ………………………………………………………………506
9.3.4 Control proporcional …………………………………………………………………………………………….507
9.3.5 Control proporcional + integral ……………………………………………………………………………..510
9.3.6 Control proporcional + derivado ……………………………………………………………………………512
9.3.7 Control proporcional + integral + derivado …………………………………………………………..514
9.4 Controladores neumáticos ………………………………………………………………………….. 515
9.5 Controladores electrónicos …………………………………………………………………………. 516
9.5.1 Controlador todo-nada …………………………………………………………………………………………..517
9.5.2 Control proporcional de tiempo variable ……………………………………………………………….518
9.5.3 Control proporcional ……………………………………………………………………………………………..518
9.5.4 Control proporcional + integral ……………………………………………………………………………..519
9.5.5 Control proporcional + derivado ……………………………………………………………………………520
9.5.6 Control proporcional + integral + derivado …………………………………………………………..521
9.6 Controladores digitales ……………………………………………………………………………….. 522
9.6.1 Componentes …………………………………………………………………………………………………………522
9.6.2 Algoritmos ……………………………………………………………………………………………………………..524
9.6.3 Controlador digital universal …………………………………………………………………………………..527
9.7 Selección del sistema de control …………………………………………………………………. 529
9.8 Criterios de estabilidad en el control ………………………………………………………….. 530
9.9 Métodos de ajuste de controladores ……………………………………………………………. 532
9.10 Otros tipos de control ………………………………………………………………………………. 545
9.10.1 Generalidades ……………………………………………………………………………………………………….545
9.10.2 Control en cascada ………………………………………………………………………………………………546
9.10.3 Programadores ……………………………………………………………………………………………………..550
9.10.4 Control de relación ……………………………………………………………………………………………….551
9.10.5 Control anticipativo ……………………………………………………………………………………………..552
9.10.6 Control de gama partida ………………………………………………………………………………………555
9.10.7 Control selectivo …………………………………………………………………………………………………..556
9.10.8 Control de procesos discontinuos ………………………………………………………………………..557
9.10.9 Controladores no lineales …………………………………………………………………………………….559

9.10.10 Instrumentos auxiliares ………………………………………………………………………………………561
9.11 Seguridad intrínseca y funcional ………………………………………………………………… 563
9.11.1 Introducción …………………………………………………………………………………………………………563
9.11.2 Nivel de energía de seguridad y mecanismos de la ignición ………………………………….564
9.11.3 Clasifi caciones de áreas peligrosas ………………………………………………………………………..567
9.11.4 Normas ……………………………………………………………………………………………………………….568
9.11.5 Barreras Zener …………………………………………………………………………………………………….569
9.11.6 Barreras galvánicas ………………………………………………………………………………………………571
9.11.7 Factores de seguridad ………………………………………………………………………………………….571
9.11.8 Seguridad funcional de los instrumentos ………………………………………………………………572
9.12 Control por ordenador …………………………………………………………………………….. 576
9.12.1 Generalidades ……………………………………………………………………………………………………….576
9.12.2 Control DDC ………………………………………………………………………………………………………579
9.12.3 Control supervisor (SPC) ……………………………………………………………………………………..581
9.12.4 Control distribuido (DCS) ……………………………………………………………………………………583
9.13 Sistemas de control avanzado ……………………………………………………………………. 590
9.13.1 Generalidades ……………………………………………………………………………………………………….590
9.13.2 Correctores …………………………………………………………………………………………………………..595
9.13.3 Control robusto ……………………………………………………………………………………………………597
9.13.4 Control linealizador global …………………………………………………………………………………..598
9.13.5 Control estadístico del proceso (SPC)…………………………………………………………………..599
9.13.6 Control multivariable …………………………………………………………………………………………..602
9.13.7 Control óptimo …………………………………………………………………………………………………….603
9.13.8 Control adaptativo ………………………………………………………………………………………………..606
9.13.9 Control predictivo ………………………………………………………………………………………………..610
9.13.10 Sistemas expertos ………………………………………………………………………………………………613
9.13.11 Control por redes neuronales ……………………………………………………………………………..615
9.13.12 Control por lógica difusa ……………………………………………………………………………………619
9.14 Control integrado ……………………………………………………………………………………… 623
9.14.1 Generalidades ……………………………………………………………………………………………………….623
9.14.2 Sistema de control básico, control distribuido y control avanzado ……………………….625
9.14.3 Gestión de alarmas ……………………………………………………………………………………………….627
9.14.4 Sistema de gestión de laboratorio …………………………………………………………………………628
9.14.5 Sistema de gestión de la producción …………………………………………………………………….629
9.14.6 Red de comunicaciones ………………………………………………………………………………………..629
9.14.7 Sistema de gestión de seguridad de la planta ………………………………………………………..633
9.14.8 Sistema de gestión de la calidad (ISO 9000:2000) …………………………………………………634
9.14.9 Estándar OPC de intercambio de datos de proceso ……………………………………………..636
9.14.10 Gestión de calibraciones …………………………………………………………………………………….638
10. Calibración de los instrumentos …………………………………………..643
10.1 Generalidades ……………………………………………………………………………………………. 643
10.2 Errores de los instrumentos. Procedimiento general de calibración ………….. 644
10.3 Calibración de instrumentos de presión, caudal y nivel …………………………….. 647

10.3.1 Presión …………………………………………………………………………………………………………………647
10.3.2 Caudal …………………………………………………………………………………………………………………..650
10.3.3 Nivel …………………………………………………………………………………………………………………….652
10.4 Calibración de instrumentos de temperatura …………………………………………….. 653
10.4.1 Pirómetros de radiación ……………………………………………………………………………………….656
10.4.2 Transmisores de temperatura inteligentes …………………………………………………………….656
10.4.3 Calibradores universales de temperatura ………………………………………………………………657
10.5 Calibración de válvulas de control …………………………………………………………….. 657
10.6 Calibración de instrumentos digitales ………………………………………………………… 660
10.6.1 Controlador universal o multifunción …………………………………………………………………..660
10.6.2 Resto de instrumentos de la planta ……………………………………………………………………….661
10.7 Mantenimiento de instrumentos ……………………………………………………………….. 662
10.8 Normativa de calidad ISO 9000:2000 aplicada a la instrumentación …………. 666
10.8.1 ISO 9001 ………………………………………………………………………………………………………………667
11. Aplicaciones en la industria. Esquemas típicos de control ………671
11.1 Generalidades ……………………………………………………………………………………………. 671
11.2 Calderas de vapor ……………………………………………………………………………………… 671
11.2.1 Generalidades ……………………………………………………………………………………………………….671
11.2.2 Control de combustión…………………………………………………………………………………………672
11.2.3 Control de nivel ……………………………………………………………………………………………………675
11.2.4 Seguridad de llama ……………………………………………………………………………………………….677
11.3 Secaderos y evaporadores ………………………………………………………………………… 678
11.4 Horno túnel ……………………………………………………………………………………………… 680
11.5 Columnas de destilación …………………………………………………………………………… 681
11.6 Intercambiadores de calor ………………………………………………………………………… 683
11.7 Control del reactor en una central nuclear ……………………………………………….. 685
Apéndice A. Análisis dinámico de los instrumentos …………………….689
A.1 Generalidades ……………………………………………………………………………………………. 689
A.2 Funciones elementales de excitación ………………………………………………………….. 695
A.2.1 Escalón unidad u(t) ………………………………………………………………………………………………695
A.2.2 Impulso unidad ……………………………………………………………………………………………………..695
A.2.3 Respuesta impulsional ……………………………………………………………………………………………695
A.2.4 Respuesta indicial ………………………………………………………………………………………………….696
A.2.5 Respuesta ante una entrada en rampa ……………………………………………………………………696
A.2.6 Respuesta ante una entrada senoidal ……………………………………………………………………..698
A.3 Análisis dinámico de los transmisores ……………………………………………………….. 702
A.3.1 Elementos fundamentales ……………………………………………………………………………………..702
A.3.2 Diagrama de bloques, diagrama de Bode y función de
transferencia de un transmisor ……………………………………………………………………………..702
A.4 Análisis dinámico de los controladores ……………………………………………………… 705
A.4.1 Introducción …………………………………………………………………………………………………………705

A.4.2 Acción proporcional …………………………………………………………………………………………….706
A.4.3 Acción proporcional + integral ……………………………………………………………………………..711
A.4.4 Acción proporcional + derivada ……………………………………………………………………………713
A.4.5 Acción proporcional + integral + derivada ……………………………………………………………715
A.4.6 Control PID en el diagrama de Nyquist ………………………………………………………………..718
A.4.7 Ensayo de controladores ………………………………………………………………………………………719
A.5 Iniciación a la optimización de procesos …………………………………………………… 722
A.5.1 Generalidades ……………………………………………………………………………………………………….722
A.5.2 Análisis experimental del proceso …………………………………………………………………………722
A.5.3 Estabilidad ……………………………………………………………………………………………………………724
A.5.4 Criterios de ajuste en el diagrama de Bode …………………………………………………………….725
A.5.5 Criterios de ajuste en el diagrama de Nyquist ………………………………………………………..729
A.5.6 Ábaco de Nichols y curva de desviación ………………………………………………………………736
Apéndice B. Evolución de la instrumentación …………………………….741
B.1 Inicios – Instrumentos locales y neumáticos ……………………………………………….. 741
B.2 Instrumentos electrónicos – Convencionales y de alta densidad …………………. 742
B.3 Computadores ……………………………………………………………………………………………. 744
B.4 Control distribuido ……………………………………………………………………………………… 746
B.5 Control avanzado y transmisores inteligentes ……………………………………………… 748
B.6 Ergonomía ………………………………………………………………………………………………….. 748
B.7 Comunicaciones …………………………………………………………………………………………. 749
B.8 Futuro ………………………………………………………………………………………………………… 750
Glosario ………………………………………………………………………………….755
Bibliografía …………………………………………………………………………….767