Curso Practico de Instrumentacion

CURSO PRACTICO DE

INSTRUMENTACION

Joel davis Quintana Amaya Capacitación 2009

Los instrumentos PATRON en calibración: conceptos y característicasComo lo definimos anteriormente, una calibración refiere a revisar y ajustar de un instrumento su salida de

modo que corresponda exactamente (o sea proporcional) a su entrada a través de un rango específico.

Para calibrar un instrumento, debemos tener conocimiento de las cantidades de entrada y/o salida

asociadas al instrumento bajo prueba. A un dispositivo usado como referencia para comparar su

respuesta frente a la respuesta de un instrumento es llamado "calibration standard" o "patrón". En

palabras simples, un patrón es algo que nosotros podemos utilizar para comparar un instrumento

calibrado. Por tanto, cualquier calibración podrá solo ser tan buena como el patrón que estemos usando.

Los patrones o "calibration standards" se pueden dividir en dos categorías: patrones usados para

"producir" un cantidad física precisa (por ejemplo presión, temperatura, voltaje, corriente, etc.), y patrones

usados para simplemente "medir" una cantidad física con un alto grado de precisión. Un ejemplo de la

primera categoría sería el uso de agua en ebullición (al nivel del mar) para "producir" una temperatura de

100 grados Celsius (212 grados Fahrenheit) para calibrar un indicador de temperatura, mientras que un

ejemplo de la segunda categoría sería el uso de un termómetro de precisión de laboratorio para medir

alguna fuente arbitraria de temperatura en comparación con el indicador de temperatura que estamos

calibrando.

 En laboratorios de metrología, los últimos estándares se basan en las constantes fundamentales de la

naturaleza, y se llaman normas intrínsecas. Un ejemplo moderno de un estándar intrinsecos para el

tiempo es el llamado reloj atómico, que utiliza átomos aislados de Cesio para producir frecuencias las

cuales son inherentemente fijas y reproducibles en todo el mundo. Los talleres de instrumentación dentro

de las industrias o fábricas en realidad no podrían pagar los costos asociados para tener normas

intrínsecas, por lo que deben recurrir a otro tipo de dispositivos para propósitos de calibración.

Idealmente, se hace una cadena de calibración para cualquier dispositivo desde el instrumento en taller

hasta una norma intrínseca o laboratorio de metrología primaria en el país.

Los instrumentos patrón usados para calibración en los talleres de instrumentación, deben ser enviados

periódicamente a los laboratorios de metrología para su re-calibración o re-estandarización, donde su

exactitud es revisada comparándola con otro (de mejor precisión) patrón los cuales son comparados con

otros estándares de calibración de nivel mucho más alto y en última instancia se contrastan con los

normas intrínsecas. En casa paso de calibración en "cadena", hay un grado progresivo de incertidumbre.

Las normas intrínsecas proseen la MENOR cantidad de incertidumbre, mientras que los instrumentos de

campo (por ejemplo transmisores de presión, temperatura, etc.) presentan la mayor incertidumbre.

 Es importante que el grado de incertidumbre en la exactitud de un instrumento patrón sea

SIGNIFICATIVAMENTE menor que el grado de incertidumbre  que nosotros esperamos tener en el

instrumento que estamos calibrando, de otra manera de nada serviría realizar la calibración. Esta razón

de incertidumbres es llamada Test Uncerainty Ratio (Razón de incertidumbre de prueba) o TUR. Una

buena regla es mantener un TUR de al menos 4:1 (idealmente sería de 10:1 o mejor), donde el

instrumento patrón es muchas veces más exacto (menos incertidumbre) que los instrumentos de campo

que estamos calibrando con el mismo.

 He sido personalmente testigo de la confusión y pérdida de tiempo que genera tratar calibrar

instrumentos de campo para una pequeña incertidumbre mientras que el instrumento patrón tiene una

incertidumbre similar. En un caso, el instrumentista intento calibrar un transmisor de presión neumático

con una tolerancia de +-0.25% de span usando un patrón que solo tenía +-1% en el mismo span.

 Lo que debemos aprender aquí es que siempre nos aseguremos que el patrón usado para calibrar sea

de exactitud confiable (la suficiente). Ningún instrumento patrón es perfecto, perfección no es lo que

necesitamos. Nuestra meta es ser lo suficientemente preciso para que la calibración sea confiable en los

límites especificados.

 En los siguientes artículos hablaremos de los instrumentos patrón mas usados en los talleres de

instrumentación para calibrar.

 La rangueabilidad o turndown: parámetro IMPORTANTE para seleccionar instrumentación

Un importante parámetro que indica performance en transmisores es algo llamado frecuentemente

"turndown" o "rangedown" o "rangueabilidad". La "Rangueabilidad" es definida como el cociente entre

el MAXIMO span permitido entre el MINIMO span permitido para un instrumento en particular.

Supongamos que un transmisor de presión tiene un rango de calibración máximo de 0 a 300 PSI y un

"turndown" de 20:1. Esto significa que un instrumentista puede ajustar el span  en cualquier valor entre

300 PSI y 15 PSI (300/20 = 15). Es muy importante tener en cuenta esto para poder seleccionar un

adecuado transmisor para cualquier aplicación. Las probabilidades de tener un transmisor con calibración

de fábrica y nunca modificar su configuración es muy pequeña, lo que significa que de TODAS maneras

se tendrá que ajustar para satisfacer las necesidades de la aplicación en específico. La rangueabilidad

nos dice cuanto o en que límites podemos ajustar el rango de nuestros transmisores.

 Por ejemplo, supongamos que estamos trabajando en una instalación donde el personal de operaciones

requiere que se instale un transmisor de presión en un recipiente con un rango de medida de 50 PSI a 90

PSI. Entonces vamos a nuestra taller o almacén donde se encuentran los instrumentos de stock nuevos, y

encontramos un transmisor de presión con un (máximo) rango de 0 a 1000 PSI, y un turndown o

rangueabilidad de 20:1. Dividiendo el máximo span de 1000 PSI entre 20, tenemos que el mínimo span

permitido es 50 PSI, El span requerido por el operativo para este transmisor es de 40 PSI (90 PSI - 50

PSI) lo que significa que el transmisor que tenemos en almacén NO será capaz de "llegar" al rango

mínimo deseado. A lo sumo, nosotros podriamos configurar un rango de 50 PSI a 100 PSI, o tal vez de 40

PSI a 90 PSI, pero nunca de 50 PSI a 90 PSI como lo requiere operaciones. Hasta este punto, nos queda

consultar al operativo si 50 PSI de span sería aceptable o no, o tendremos que ordenar un transmisor de

presion diferente con un span más pequeño (o con una rangueabilidad de mayor valor).

 Otra consideración importante con el "turndown" o la "rangueabilidad" es la "presición" del instrumento.

Casi todos los instrumentos son configurados para su máximo span, y generalmente la peor presición

ocurre cuando se reduce el span. Por ejemplo, el flujometro másico Micro Motion "ELITE" indica tener una

presición de +-0.05% a una rangueabilidad hasta de 20:1, y que si precisión se reduce a +-0.25% a un

rangueabilidad de 100:1, y a +-1.25% a un rangueabilidad de 500:1. Debemos darnos cuenta la

degradacion de la presion en la medida a grandes valores de rangueabilidad, aqui el flujometro másico no

tiene la culpa, sino que es una consecuencia indudable de poner su rangueabilidad al limite.

Documentación en calibración de instrumentos: As-found - As-left y Up-test - Down-testDocumentación As-found y As-left

 Una importante buena práctica cuando calibramos es documentar los valores del instrumentos como FUE

encontrado (as-found) y como FUE dejado (as-left) con los ajustes realizados. El proposito de documentar

ambas condiciones es para dejar registros respecto a los desfases o drifts durante el tiempo en el

instrumento. Si solamente registraramos una de estas condiciones (as-found o as-left) cada vez que

calibramos un instrumento, será dificil determinar que tan bien un instrumento esta manteniendo su

calibración (precisión) durante largos periodos de tiempo.

Un desfase o imprecisión frecuente es un indicador de una falla inminente, el cual es vital para cualquier

programa de mantenimiento predictivo o control de calidad.

 Tipicamente, el formato para documentar los valores de estas condiciones (as-founf y as-left) es una

tabla simple mostrando los puntos o valores de calibración, la respuesta ideal de instrumento, la

respuesta actual del instrumento, y el error calculado para cada punto. La siguiente tabla es un ejemplo

para un transmisor de presión con un rango de 0 a 200 PSI:

Porcentaje del Rango Presión de

Entrada

Corriente de

Salida (ideal)

Corriente de

SalidaError

(porcentaje del 0% 0 PSI 4.00 mA

25% 50 PSI 8.00 mA

50% 100 PSI 12.00 mA

75% 150 PSI 16.00 mA

100% 200 PSI 20.00 mA

Up-test y Down-test

 Es común que las tablas de calibración normalmente nos muestren pruebas con puntos en ascenso y

puntos en descenso, con fines de descartar y documentar problemas por histeresis y banda muerta

(deadband). En el siguiente ejemplo, se muestra un transmisor con una histeresis máxima de 0.313% (los

datos con mayor error se muestran en negrita)

Porcentaje del Rango Presión Corriente de

Corriente de

SalidaError

0% 0 PSI 4.00 mA 3.99 mA -0.0625 %

25% ↑ 50 PSI 8.00 mA 7.98 mA -0.125 %

50% ↑ 100 PSI 12.00 mA 11.99 mA -0.0625 %

75% ↑ 150 PSI 16.00 mA 15.99 mA -0.0625 %

100% ↑ 200 PSI 20.00 mA 20.00 mA 0 %

75% ↓ 150 PSI 16.00 mA 16.01 mA +0.0625 %

50% ↓ 100 PSI 12.00 mA 12.02 mA +0.125 %

25% ↓ 50 PSI 8.00 mA 8.03 mA +0.188 %

0% ↓ 0 PSI 4.00 mA 4.01 mA +0.0625 %

 Si realizamos un calibración en ambas direcciones, es importante aplicar el mismo valor de estimulo (a

precisión) en un punto determinado para proceder a cuantificar errores por histeresis o banda muerta con

exactitud, caso contrario esos datos no podrán ser usados para estos fines.

Errores comunes en calibración de instrumentación: zero, span, linealidad, histeresis

Recordemos la ecuación lineal que describe la respuesta de cualquier instrumento lineal:

y = mx + b

Donde:

y = Señal de salida del instrumento

m = valor del span

x = Señal de entrada del instrumento

b = valor de zero

Un error de desfase de zero en una calibración provoca un desfase o desplazamiento vertical de la grafica

de la ecuación, lo cual es equivalente a modificar el valor de b de la ecuación. Este error afecto a todos

los puntos o valores de calibración de la misma manera, provocando el mismo procentaje de error dentro

de todos los puntos o valores del rango del instrumento.

Si un transmisor tiene un error de calibración por zero, ese error puede ser corregido ajustando

cuidadosamente el "zero" hasta llegar a la respuesta ideal, escencialmente alteramos el valor de b de la

ecuacion lineal.

Un error de desfase de span en una calibración ocasiona la variación de la pendiente de la función, lo cual

es equivalente a alterar el valor de m en la ecuación lineal. Este error efecta de manera desigual en los

diferentes valores o puntos a través del rango del instrumento.

 Si un transmisor tiene un error de calibracion por span, ese error puede ser corregido ajustando

cuidadosamente el span hasta lograr una respuesta ideal, esencialmente alterar el valor de m en la

ecuación lineal.

 Un error de linealidad en una calibración causa que la funcón de respuesta del instrumento deje de ser

una linea recta. Este tipo de error no esta directamente relacionado con desfases de zero (b) o de span

(m) porque la ecuación anterior solo describe lineas rectas.

 Algunos instrumentos proveen la posibilidad de ajustar la respuesta de linealidad, en ese caso este

parametro deberá ser modificado con extremo cuidado. El comportamiento del ajuste de linealidad es

única para cada modelo de instrumento, por tanto debemos consultar la documentación del fabricante

para conocer los detalles de como trabaja a exactitud ese parametro. Si el instrumento no provee la

posibilidad de modificar su linealidad, lo mejor que podemos hacer ante este tipo de error es "divir o partir

el error"  entre los extremos alto y bajos del rango, por tanto el error máximo absoluto en cualquier punto

del rango será minimizado.

 Un error de histérisis en una calibración ocurre cuando la respuesta del instrumento en puntos o valores

determinados es diferente al incrementar la señal de entrada que al decrementar la señal de entrada. La

única manera de detectar este tipo de error es hacer una prueba up-down en la calibración, es decir tomar

nota de valores determinados ante un incremento de señal de entrada y comprarlos con los mismos

valores pero decrementando la señal de entrada.

 Los errores por histéresis son casi siempre causados por una fricción mecanica del sensor (y/o una

perdida de acoplamiento entre elementos mecánicos) como los tubos de bourdon, fuelles, diafragmas,

pivots, etc. La fricción siempre actúa en dirección opuesta a la de movimiento relativo. Los errores de

histéresis no pueden ser rectificados simplemente haciendo ajustes de calibración en el instrumento - por

lo general se debe reemplazar los componentes defectuosos o corregir los problemas de acoplamiento en

el mecanismo del instrumento.

En la práctica, los errores mas comunes de calibración son una cambinación de problemas de zero, span,

linealidad y histeresis.

Calibración de transmisores PASO a PASO: instrumentos digitalesEl procedimiento para calibrar un transmisor digital "inteligente" (tambien conocido como trimming), es un

poco diferente que la calibración de instrumentos analógicos. A diferencia de los ajustes de zero y span

en instrumentos analógicos, las funciones de trim "bajo" y "alto" de un instrumento digital son tipicamente

no interactivos.

Esto quiere decir que solo deberias aplicar un estimulo con valor rango bajo y uno de valor de rango alto

UNA sola vez durante el procedimiento de calibración. El trimming del sensor (o trimming del ADC) en un

instrumento inteligente consiste en estos cuatro pasos generales: 

Aplique un estimulo con el valor de rango mínimo en el instrumento, luego esperemos que se

estabilice la lectura

Ejecute la funcion "low trim" del sensor (transmisor).

Aplique un estimulo con el valor de rango máximo en el instrumento, luego esperemos que se

estabilice la lectura.

Ejecute la funcion "high trim" del sensor (transmisor).

De manera simular, debemos realizar el trimming de la salida (Conversor Digital-Analogo o DAC) para

esto debemos seguir estos seis pasos generales:  

Ejecute la función "low trim" de la señal de salida.

Mida la señal de salida con un miliamperimetro de precision, verificando el valor luego de

estabilizarse.

Ingrese el valor de corriente medido cuando el instrumento lo solicite.

Ejecute la función "high trim" de la señal de salida.

Mida la señal de salida con un miliamperimetro de precision, verificando el valor luego de

estabilizarse.

Ingrese el valor de corriente medido cuando el instrumento lo solicite.

  Despues de que los valores de entrada y salida (ADC y DAC) del transmisor inteligente hayan sido

"trimmed" o configuradas (por ejemplo calibrado referencias estandar conodicadas para ser exactos), los

valores de rango bajo y algo recien pueden ser configurados. De hecho, una vez que los procedimientos

de configuracion del trim son completados, el transmisor puede ser rangueado y rangueado cuantas

veces lo deseemos. La unica razón para realizar un re-trimming en un transmisor inteligente es para

asegurar la presicion en periodos de tiempo donde el sensor y/o los conversores ADC/DAC puedan tener

un desfase de valores en los límites aceptables. 

Estos nos muestra de gran manera la diferencia de los transmisores analógicos, donde estos requeririan

un re-calibracion completa cada vez que se modifique su rango.

Calibración de transmisores PASO a PASO: instrumentos analógicosComo se mencionó anteriomente, la calibración refiere a ajuste de un instrumento de modo que su señal

de salida corresponda (proporcionalmente) de manera precisa con su señal de salida en todo el rango

configurado. En los siguientes artículos describiremos procedimientos para realizar una calibración

eficiente de diferentes tipos de instrumentos. Recalco que este es "mi prodecimiento" y por tanto puede

existir otros procedimientos diferentes.

Calibración para Instrumentos Lineales

 El procedimiento simple de calibración en instrumentos analógicos lineales es llamado el método zero-

and-span. Y se realiza los siguientes pasos: 

Aplica un estimulo con el valor del mínimo rango del transmisor (valor conocido y preciso), y

luego esperemos que se estabilice.

Mover el "zero" hasta que el instrumento registre en su lectura el valor del estimulo aplicado

anteriormente (rango minimo) con presición.

Aplicar un estímulo con el valor del máximo rango del transmisor (valor conocido y preciso),

luego esperaremos que la lectura se estabilice.

Movemos el "span" hasta que el instrumento registre en su lectura el valor del estimulo aplicado

anteriomente (rango máximo) con precision.

Repita los pasos 1 hasta el 4 tantas veces como sea necesario para lograr una buena precision

con las lecturas en todo el rango de lectura.

 Una mejora de este procedimiento "crudo" es revisar la respuesta del instrumento en varios puntos entre

los valores del rango mínimo y máximo. Un ejemplo común de esto es llamado frecuentemente "five-point

calibration" o "calibracion de cinco puntos", donde las lecturas del instrumento son revisadas a 0% (LRV),

25%, 50%, 75% y 100% (URV) del rango total.

 Independientemente de los puntos porcentaje elegidos para revisar o constratar. la meta es asegurar que

hemos logrado (o al menos) un precisión mínima en todos los puntos a lo largo del rango, de manera que

la lectura del instrumento nos de una buena confianza cuando lo vamos a instalar o poner en servicio.

 Incluso otra mejora respecto al procedimiento básico de los cinco puntos es revisar la respuesta del

instrumento a cinco puntos de calibración tanto de subida en el rango como de bajada. Este tipo de

calibración es llamada calibración Up-down. El propósito de este tipo de test es determinar si el

instrumento tiene algun valor significativo de histéresis: una falta de respuesta al cambio de dirección (los

valores de subida, son diferentes a los valores de bajada).

 Algunos instrumentos análogos proveen un forma de ajustar su linealidad. Este ajuste podría ser movido

solo si es OBSOLUTAMENTE necesario. Muy a menudo, este ajuste de linealidad es muy sensitivo y

complicado de manejar a simple pulso. El ajuste de linealidad del instrumento deberá ser cambiado

solamente si es que se requiere mayor presicion que no puede ser lograda a travez de todo el rango del

instrumento (con zero y span).

Rangos (LRV y URV) y Trim en transmisores digitales: solución rápida de problemas y calibración

El que los transmisores "inteligentes" contengan microprocesadores han sido un gran avance para la

instrumentación industrial. Estos disposivitos tienen la capacidad de realizar diganósticos, gran presición

(debido a las compensaciones digitales a las no linealidades del sensor), y la capacidad de poder

comunicarse digitalmente con dispositivos host para reportar varios parametros.

 Un diagrama simplificado de un transmisor de presion "inteligente" se muestra en la siguiente figura:

Es importante darnos cuenta de todos los ajustes en este dispositivo, y como se puede comparar con la

realitva simplicidad de un transmisor de presión analógico:

 Demonos cuenta que la calibración de transmisores analógicos se hace mediante dos únicos ajustes que

son el "zero" y el "span". Claramente este no es el caso de transmisores inteligentes. No solo podemos

configurar los valores de rango bajo y alto (LVR y UVR) en un transmisor inteligente, sino que tambien es

posible calibrar los conversores analogos-digitales y digitales-analógicos independientemente cada uno.

Lo que esto significa es que para realizar una calibración de un transmisor inteligente el instrumentista

requiere potencialmente realizar mas trabajo y un buena cantidad de ajustes que en los transmisores

analógicos.

 Un error común cometido por muchos estudiantes y tambien por instrumentistas experimentados es

confundir la configuración de rangos (LVR y URV) para realizar una calibración real. Solo por que

digitamos un valor de LRV en un transmisor de presión en 0.00 PSI y su URV en 100.00 PSI no quiere

decir necesariamente que registrará con presición medidas en ese rango!. En el ejemplo siguiente

explicaremos esta falencia.

 Supongamos que tenemos un transmisor de presión inteligente rangueado de 0 a 100 PSI con una salida

analógica de 4-20 mA, pero el sensor de este transmisor de presión presenta problemas de presición de

sensado, quizas por un largo tiempo de uso, y cuando se le aplica una señal de entrada de 100 PSI

genera una señal que el conversor analogo-digital solo la interpreta como 96 PSI. Asumiendo que todo lo

demas en el transmisor esta en perfectas condiciones, con una perfecta calibracion, la señal de salida

siempre tedrá un error.

Aqui podemos ver como la calibración mas sofisticada en un transmisor digital podría ser corrupta a pesar

de realizar una pefecta calibración de los conversores análogos-digitales y digitales-análogos, y una

perfecta configuración del rango en el procesador. El microprocesador "piensa" que la presión aplicada es

de 96 PSI, y responde acorde con esa lectura y tiene una señal de salida de 19.36mA. La única manera

que un instrumentista podría saber que este transmisor tiene una respuesta incorrecta a 100 PSI es en

realidad aplicar un valor conocido de fluido de presión de 100 PSI en el sensor y darse cuenta de la

respuesta incorrecta. La lección aqui debería ser clara: la configuración de los rangos minimos y

máximos en un transmisor inteligente NO constituye una legítima calibración de un instrumento.

Por esta razón, los transmisores inteligentes siempre proveen la manera de llevar acabo la configuración

de la que llamamos "digital trim" en los conversores ADC y DAC, para asegurar que el microprocesador

"mire" una correcta representación del estimulo aplicado y estar seguro de que la señal de salida del

procesador es convertida a presición en corriente DC, respectivamente.

 Es muy común ver como algunos instrumentistas utilizan los parametros LRV y URV de una manera muy

similar que los ajustes de zero y span en los transmisores analógicos para corregir errores como estos.

Siguiendo esta metodología, deberíamos fijar el URV del transmisor con problemas en 96 PSI en vez de

100 PSI, entonces para una presión aplicada de 100 PSI nos daría 20mA de señal de salida que nosotros

deseamos. En otras palabras, hacemos que el microprocesador "piense" que solo esta "viendo" 96 PSI,

entonces al cambiar el URV siempre enviará la señal correcta. Esta solución funciona hasta cierto punto,

dado que si se realiza cualquier consulta digital al transmisor (por ejemplo, utilizando un protocolo de

señal en analógica, como HART) dará lugar valores contradictorios, la señal de corriente representa todo

la escala (100 PSI) mientras que el registro digital dentro del transmisor mostrará 96 PSI. La unica

solución para esto es "recortar" o "trim" el rango del convertidor analogo digital para que microprocesador

en el transmisor "conozca" el verdadero valor de presion aplicado al sensor.

 Una vez que se ha realizado el "recorte" o "trim" en los convertidores de entrada y salida, por supuesto, el

instrumentista es libre de reranguear el microprocesador tantas veces como el desee sin volver a re-

calibrar. Esta capacidad es particularmente útil cuando es necesario realizar un re-rangueo para

condiciones especiales, como puesta en marcha de procesos y paradas donde los parametros del

proceso suelen estan dentro de valores fuera de lo común. Además, un instrumentista puede utilizar un

hand-held digital para comunicarse con el dispositivo y resetear los valores del LRV y URV a los valores

deseados por el área operativa sin tener que volver a realizar un calibracion del instrumento aplicando un

estimulo fisico hacia el instrumento. Mientras que el trim (recorte) del rango de los conversores analogos-

digitales-analogos sea buena, la presición del instrumento seguirá siendo buena con el nuevo rango. Con

instrumentos analógos, la unica manera de cambiar a diferentes rangos de medidas era cambiar los

ajustes del zero y span, los cuales necesitaban la re-aplicacion de estimulos fisicos en el dispositivo (una

completa recalibracion). Aqui y solo aqui vemos que la calibracion no es necesaria en instrumentos

inteligentes.

 Si la exactitud global de la medida deberá ser verificada, podemos decir, que no hay un sustituto

para una CALIBRACION REAL, y esto implica tanto el ajusto de parametros para los ADC y DAC.

¿Como eliminamos el ruido en señales de instrumentación?: apliquemos el "damping" correctamente

La mayoria de transmisores modernos (ambos analógicos y digitales) viene equipados con un

caracteristica conocida como "damping" o amortiguación. Esta caracteristica es esencialmente un filtro

pasa bajos en serie con la señal, reduciendo la cantidad de "ruido" del proceso.

Imaginemos que un transmisor de presión estan sensando la presión de agua a la salida de una bomba.

El flujo de agua en la bomba tiende a ser extremadamente turbulenta, y cualquier sensor conectado para

medir la presión en la descarga de la bomba interpretará esta turbulencia como violentas fluctuaciones de

presión. Esto significa que la señal de salida de presión del transmisor tambien fluctuará, casuando que

cualquier indicador o sistema de control asociado al transmisor registre mucho "ruido" de la presión de

agua.

 El ruido de la señal de presión tiende a causar "problemas" en el control realimentado, desde que el

sistema de control interpretará estas rápidas fluctuaciones como cambios reales de  presión requeriendo

la acción correctiva pertinente. Aunque es posible configurar algunos sistemas de control para ignorar ese

ruido, la mejor solución es corregir el problema en la fuente ya sea mediante la reubicación de la línea del

transmisor de presión en un lugar donde no haya mucha turbulencia, o de alguna manera evitar que esa

turbulencia sea enviada como señal del transmisor.

Desde que este ruido es tiene una mucha mayor frecuencia que los ciclos normales de presión en un

proceso, es relativamente fácil recudir la cantidad de ruido en la señal del transmisor poniendo un filtro, es

decir a la señal de salida que pase por un circuito filtro pasa bajos.

 Si aplicamos exitosamente el filtro a un transmisor de proceso, el resultado será una señal mas "relajada"

y por otro lado la señal de ruido que podemos apreciar solamente será la propia de la presion del proceso,

mientras que el efecto de turbulencia (o cualquier cosa que este causando el ruido) se reduce al minimo

(o casi desaparece). En todo control de proceso, este tipo de filtro aplicado a la señal de medida es

frecuentemente referido como "damping" porque su efecto es para "damp" o "calmar" los efectos del ruido

en la señal.

 En transmisores digitales donde el damping es realizado por algoritmos digitales (ya sea una sofisticada

rutina de filtrado digital o algo tan simple como poner los sucesivos valores de la señal en un bufer), el

damping puede ser ajustado fijando un valor numérico en los parametros de configuración del transmisor.

En transmisores neumáticos, el damping podría ser implementado instalando elementos viscosos en el

mecanismo.

 La pregunta clave para un ingenierio o técnico instrumentista viene a ser ¿Cuanto de valor de damping

voy a usar?. Un damping insuficiente permitirá demasiado ruido para el sistema de control (causando

tendencias y indicadores con ruido y un control errado), mientras que un excesivo damping causará que el

transmisor "subestime" la importancia de los cambios bruscos del proceso real, es decir los cambios no

producidor por ruido sino propios del proceso serían ignorados por transmisor. En mi experiencia hay una

mala tendencia por los instrumentistas de aplicar un excesivo valor de damping en los transmisores. Un

transmisor con mucho damping puede causar que la grafica de tendencia se demasiado "suave" sin poder

apreciar cambios reales del proceso, con lo que a primera vista parece ser bueno. Despues de todo, el

punto en un sistema de control es mantener la variable de proceso muy cercana al valor de setpoint, por

lo que ver una linea "realmente suave" de variable de proceso en la tendencia es realmente atractivo. Sin

embargo, el problema con el damping excesivo es que el transmisor da una respuesta lenta a cualquier

cambio brusco en la variable de proceso.

 En una gráfica de tendencia dual de un transmisor de presión experimentando un brusco incremento de

la presión muestra lo anteriomente explicado, donde una señal de transmisor sin damping se muestra en

la parte superior y un señal "over-damped" o con mucho damping se muestra en la parte inferior

(demonos cuenta que el desplazamiento vertical entre las tendencias es solo para fines de analizar la

señal, realmente estarían traslapadas)

 Una cosa adicional es que en un ambiente de prueba a la hora de calibrar un transmisor, el damping

debe ser puesto a su mínimo valor por lo que los resultados de la aplicación de los estimulos en el

transmisor son inmediatamente vistos. Cualquier cantidad de damping en el transmisor que se está

calibrando solo causará un retraso en el procedimiento sin beneficio alguno.

Ajustes de Zero y Span en transmisores analógicos: siempre nos toparemos con alguno

El proposito de la calibracion es asegurar que la entrada y la salida de un instrumento correspondan el

uno del otro a traves de todo el rango de operacion. Podemos expresar este concepto de forma gráfica,

mostrando como la entrada y la salida de un instrumento debería relacionarse:

Esta gráfica muestra como a cualquier porcentaje de entrada le corresponde cualquier porcentaje de

salida, en todo el rango de 0% al 100%.

Los cosas se ponen mas complicadas cuando los ejes de entrada y salida son representadas por otras

medidas que no son "porcentajes". Pensemos en un transmisor de presión, un dispositivo designado para

sensar la presión de un fluido y como salida una señal electrónica que corresponde a la presión. En la

siguiente gráfica para el transmisor de presión con un rango de entrada de 0 a 100 PSI y una salida de

señal de 4 a 20 miliamperios (mA) de corriente:

A pesar de que la gráfica aun es lineal, el cero de presión no es igual al cero de corriente. Esto se llama

"live zero" o cero vivo, porque el 0% de medida (0 PSI presión de fluido) corresponde a una "non-zero" ó

"live" señal de corriente es decir a 4mA.

 Cualquier función lineal puede ser expresada con la siguiente ecuación de la recta:

y = mx + b

 Donde:

y = Posicion vertical de la grafica, o eje Y

x = Posicion horizontal de la grafica, o eje x

m = pendiente de la recta

b = punto de interseccion entre la recta y el eje vertical (y), intercepto

 Si representamos la entrada de presion en unidades de PSI (x) y representamos la salida de corriente en

unidades de miliamperios, podemos escribir una ecuación para este instrumento como:

y = 0.16x + 4

En el instrumento actual (el transmisor de presión), hay dos tipos de ajustes los cuales nos van a permitir

igualar (o casi) el comportamiento del transmisor con su ecuacion de recta representativa. Un ajuste es

llamado "zero" mientras que el otro es llamado "span" . Estos dos ajustes corresponden exactamente a

los terminos b (intercepto) y m (pendiente) de la ecuacion lineal, respectivamente: el "zero" modifica la

función del instrumento verticalmente, mientras que el "span" varia la pendiente de la función de la

gráfica. Solo ajustando el zero y el span podemos configurar el instrumento para cualquier rango de

medida dentro de los limites especificados.

 La relacion de la ecuación de la recta y los ajustes de zero y span de un instrumento nos muestra como

en realidad se realizan los ajustes para la calibración de cualquier instrumento. Un ajuste de "zero"

siempre se logra agregando o quitando alguna cantidad, exactamente como el parametro "b" o intercepto

(en eje y) agrega o sustrae al producto de mx. Un ajuste de "span" se realiza siempre multiplicando o

dividiendo alguna cantidad, exactamente igual como lo hace la pendiente m con la variable de entrada x.

 Los ajustes de zero tipicamente toman uno o mas de las siguientes formas en un instrumento:

 - BIAS force (como el peso o esfuerzo aplicados a un mecanismo)

- Desplazmiento mecanico (agregando o restando cierta contidad de movimiento)

- Bias voltaje (agregando o restando cierta cantidad de potencial)

Los ajustes de span tipicamente tomas una de estas formas:

- Punto de apoyo de palanca (multiplicando la fuerza o movimiento)

- Ganancia de amplificadores ( multiplicando o dividiendo una señal de voltaje)

Deberiamos haber notado que para casi todos los instrumentos analogos, el ajuste de zero y span son

"interactivos". Esto quiere decir, el ajuste de uno de ellos afecta al otro. Especialmente, los cambios

realizado cuando se ajusta el span casi siempre altera el punto zero del instrumento. Un instrumento con

zero y span "vinculados" requiere de mucha mayor pecisión para ser calibrado, siendo necesario pasar

varias veces entre los rangos minimos y máximos para un ajuste preciso.

Calibración versus re-ranging ó "cambio de rango"

Cada instrumento tiene al menos una entrada y una salida. Para un sensor de presion, la entra entrada

sería alguna presión de fluido y la salida debería ser una señal eléctrica. Para un indicador de lazo, la

entrada sería una señal de corriente de 4-20mA y la salida debería ser un display para operador. Para un

variador de velocidad de un motor, la entrada sería una señal electrónica y la salida sería una potencia

eléctrica para el motor.

 La calibración y la rango son dos tareas asociadas con establecer un correspondencia precisa entre la

señal de entrada de cualquier instrumento y su respectiva señal de entrada.

 Calibracion versus re-ranging ó "cambio de rango"

 El calibrar un instrumento significa revisar y ajustar (si es necesario) su respuesta para que la salida

corresponda con presición a su salida en un rango especifico determinado. Para hacer esto, uno debe

exponer la entrada del instrumento con estimulos los cuales sabremos de antemano la cantidad a presión.

Para un indicador o transmisor de presión esto significaría someter el instrumento de presión a presiones

de fluido conocidas y comparar la respuesta del instrumento con las cantidades de presion de estimulo.

No podemos realizar una verdadera calibración sin comparar la respuesta del instrumento ante estimulos

conocidos.

El ranguear un instrumento significa fijar o configurar los valores de rango bajo y alto por tanto

respondera con la sensitividad deseada ante los cambios de entrada. Por ejemplo, un transmisor de

presion seteado a un rango de 0 a 200 PSI (0 PSI=4 mA de salida y 200 PSI = 20 mA de salida) podería

ser re-rangueado para responder a una escala de 0 a 150 PSI (0 PSI=4 mA de salida y 150 PSI = 20 mA

de salida).

 En instrumentos análogos, re-ranguear podría estar (usualmente) solo por una re-calibración, desde que

los mismos adjustes son usados para realizar ambos propósitos. En instrumentos digitales, la calibración

y el rango son ajustes tipicamente separados (por ejemplo es posible re-ranguear un transmisor digital sin

tener que realizar una recalibración completa), por lo que es muy importante tener la diferencia.

Usando calibradores de lazo: medición, generación y simulación

Los instrumentos de testeo electronicos llamados "calibradores de lazo" son fabricados con proposito

expreso "solucionar problemas en lazos de corriente 4-20mA". Estos instrumentos versátiles son

generalmente capacez no solo de medir corriente, sino que tambien generar corriente hacia dispositivos

pasivos en un lazo, y tmbien simular la operacion de un transmisor "loop-powered" 4-20mA.

 Un calibrador muy popular es el Altek modelo 334A, con bateria recargable, handheld con mando

giratorio para el ajuste y cambio modos para medir/generar corriente. La siguiente figura muestra como el

calibrador sería usado para medir corriente en un lazo de entrada de señal vivo o en operacion.

Aqui, el cableado es interrumpido en el hilo negativo del transmisor, y el calibrador es conectado en serie

para medir corriente. Si el lado tiene un diodo de testeo instalado, el calibrador podria ser conectado en

paralelo con el diodo para realizar la misma funcion. Debemos tener en cuenta la polaridad del calibrador

de modo que este en relacion con el lazo: el calibrador esta actuando como un dispositivo pasivo (como

una carga, mas no como una fuente), el hilo positivo del lazo debe conectarse al cable de prueba rojo y el

hilo negativo con el cable de prueba negro.

 El mismo calibrador de lazo puede ser usado como fuente (o controlador) de señal de 4-20mA en lugar

de un instrumento para probar las funciones de un instrumento independientemente. Aqui, vemos un

calibrador Altek usado como fuente de corriente enviando una señal de 16.00mA como PV (variable de

proceso) de entrada del controlador.

Ningun transmisor necesita ser incluido en la grafica, dado que el calibrado ha ocupado su lugar.

Demonos cuenta como la funcion del calibrador ahora es un fuente activa de corriente y no una carga

pasiva como lo fue en el ejemplo anterior. No solo provee la informacion (regular corriente), sino que

tambien provee la energia al lazo. La fuente de energia DC dentro del controlador no es usada para este

lazo, por el calibrador esta en "modo fuente" que provee la energia necesaria para controlar la corriente a

traves de la resistencia de 250 ohm.

Un metodo alternativo de proveer una señal de corriente conocida y emular el comportamiento de un

transmisor es poner el calibrador de lazo en modo "simulacion". En este modo, el calibrador sirve para

regular la corriente del lazo a un determinador valor, pero no genera algun voltaje para controlar la

corriente. En vez de ello, es un elementro pasivo que necesita de algín voltaje externo en el lazo de

corriente.

Démonos cuenta que la polaridad del calibrador esta en relacion con el controlador: la cable de prueba

rojo esta conectado al terminal positivo del lazo mientras que el cable negro se conecta al terminal de

entrada positivo. Aqui, el calibrador actua como una carga, exactamente como un transmisor. La unica

fuente de energía en este circuito es los 24 voltios DC dentro del controlador: la misma fuente que provee

energía al lazo cuando el transmisor esta conectado.

 Este modo "simulacion de transmisor" es especialmente útil para testear un lazo 4-20mA en la entrada

del un controlador.

 Un calibrador antiguo aun familiar con muchos instrumentistas en estos tiempos es el clasico

Transmation model 1040.

Otros ejemplos de calibradores de lazo antiguos incluyen el Nassau model 8060 (arriba) y el BOddle

Versa-Cal (abajo).

Un calibrador de lazo moderno es el Fluke modelo 705, como en la siguiente foto:

Con este calibrador los modos medición, generación, y simulación se acceden presionando repetidamente

un boton, mostrandose el modo seleccionado en la pantalla.

Solución de problemas de lazos de corriente con mediciones de voltaje: cuando lo único que tenemos es un voltimetro

Si en caso de que no podamos interrumpir el lazo por cuestiones operativas, y que ningun componente

(diodo) es pre-instalado en el lazo, y ademas si no tenemos un instrumento para medir el efecto hall como

una pinza amperimetrica, un instrumentista puede aun realizar diagnosticos para solucion de problemas

usando nada más que un Volimetro DC. Aqui, sin embargo, debemos tener mucho cuidado a la hora de

interpretar estas medidas de voltaje, desde que estamos medidas pueden no ser directamente

proporcionales a la corriente del lazo.

 En el siguiente ejemplo vemos un lazo de 4-20mA, donde el controlador envia una señal de salida a un

convertidor I/P.

Aqui, no hay una resistencia estandarizada para las bobinas del convertidor I/P, y por tanto la cantidad de

caida de voltaje a traves de los terminales del I/P para cualquier cantidad de corriente de lazo será unica

para todos los modelos de convertidores I/P.  El convertidor I/P Fisher modelo 567 fabricado para señales

4-20mA tiene una resistencia de bobina nominal de 176 ohms. Por tanto, nosotros esperaremos ver una

caida de voltaje de aproximadamente 0.7 voltios a 4mA y un caida de voltaje aproximada de 3.5 voltios a

20mA a traves de los terminales del I/P. Desde que los terminales de salida del controlador esta

directamente en paralelo con los terminales del I/P, esperaríamos ver aproximadamente el mismo voltaje

tambien alli (ligeramente mayor debido a la resistencia del cable). La falta de conocimiento preciso de la

resistencia de bobina del I/P hace dificil decir exactamente cuanta corriente está en el lazo para

cualquier medida de voltaje que tomamos con un voltimetro. Sin embargo, si nosotros

conocieramos aproximadamente la resistencia de la bobina del I/P, podemos al menos obtein un estimado

de la corriente del lazo, la cual es usualmente suficiente para propositos de diagnóstico.

 Si la resistencia de la bobina del I/P fuera completamente desconocida, la medida de voltaje vendría a

ser una cantidad totalmente inutil para determinar la corriente en el lazo. La medida de voltaje sería util

solo para determinar la continuidad del lazo (por ejemplo si hay una interrupcion en el cableado entre el

controlador y el I/P o no).

 Otro ejemplo en consideración es este transmisor loop-powered de 4-20mA y un controlador, donde el

controlador provee la energia DC al lazo:

Es muy común encontrar controladores con su propia fuente para alimentar al lazo, debido a la gran

popularidad de los transmisores loop-powered (2 hilos). Si sabemos que el transmisor requiere un voltaje

DC en algun lugar del circuito para alimentarlo, eso nos hace pensar que deberiamos incluirlo en el

controlador cierto? :D.

 La unica medida de voltaje que es directamente y precisamente proporcional a la corriente del lazo es el

voltaje a traves de la resistencia de precision de 250 Ohm. Una corriente de lazo de 4mA provocará un

caida de voltaje de 1 voltio, con 12mA caerá 3 voltios, con 20mA caerá 5 voltios, etc.

 La medida de voltaje a traves de los terminales del transmisor mostrará la diferencia del voltaje entre los

26 voltios DC de la fuente y la caida de voltaje a traves de las resistencia de 250Ohm. En otras palabras,

El voltaje en los terminales del transmisor es simplemente la resta del voltaje de la fuente de 26 voltios

menos la caida de voltaje en la resistencia. Esto hace que el voltaje en los terminales del transmisor sea

inversamente proporcional a la corriente del lazo: el transmisor mira aproximadamente 25 voltios a 4mA

de corriente de lzo (0% de señal) y aproximadamente 21 voltios a 20mA de corriente de lazo (100% de

señal). El usar el termino "aproximado" es totalmente intencional aqui, para fuente de lazo

energizados son por lo general no regulados. En otras palabras, los "26 voltios" es aproximadamente

y sujetos a cambios!!!.

 Una de las ventajas de los tranmisores loop-powered es que la fuente de voltaje es totalmente

irrelevante, siempre y cuando exaceda el valor necesario para asegurar una adecuada energizacion del

transmisor. Si la fuente de voltaje se desviará por alguna razon, no tendría impacto en la medida de la

señal dado que el transmisor esta construido con reguladores de corriente, las cuales en el lazo ante

cualquier valor siempre representa la medida del proceso, sin tener en cuenta los pequeños cambios en la

fuente de voltaje del lazo,cableado, resistencias, etc. Este rechazo a los cambios de voltaje en la fuente

de alimentacion nos dice que la fuente no necesita ser regulada, aunque en la practica es muy raro.

 Ahora, esto nos lleva aun problema comun en los transmisores loop-powered 4-20mA: mantener

el voltaje suficiente en los terminales del tranamisor. Recalquemos que un transmisor loop-powered se

basa en la caida de voltaje en sus terminales (combinado con una corriente de al menos 4 mA) para

poder trabajar internamente. Esto significa que el voltaje en sus terminales no debe ser menor a un

minimo, o sino el transmisor no tendrá suficiente energía para hacer su funcionamiento normal. Esto hace

que sea posible "dejar de hambre" de voltaje al transmisor si la tension en el lazo es insuficiente y/o si la

resistencia del lazo es excesiva.

 Para ilustrar como esto puede ser un problema, consideremos el siguiente medida de una lazo 4-20mA,

donde el controlador provee solo 20 voltios DC al lazo, y un indicador incluido en el circuito provee al

operador la medida del transmisor:

El indicador tiene su propia resistencia de 240 Ohm para proveer una señal de 1-5 voltios para el sensado

en el indicador. Estos significa que la resistencia total ha crecido de 250 Ohm a 500Ohm (mas la

resistencia del cableado). A corriente maxima (20mA), esta resistencia total hara caer (al menos) 10

voltios, dejando 10 voltios o menos en los terminales del transmisor para energizarlo. Con 10 voltios es

muy probable que no sea suficiente para que el transmisor operare exitosamente, aunque, el transmisor

de presion Rosemount modlo 3051 por ejemplo, requiere de minimo 10.5 voltios en sus terminales para

operar.

 Sin embargo, el transmisor operará solo en un hasta alguno niveles de corriente del lazo, cuando la

corriente del lazo es solo 4mA, por ejemplo, la suma de caidas de voltajes a traves de las dos resistencis

de 250 Ohms será solo 2 voltios, dejando cerca de 18 voltios en los terminales del transmisor: mas que

suficiente para practicamente cualquier modelo de transmisor loop-powered pueda operar. Por tanto, el

problema de insuficiencia de fuente de voltaje solo se manifiest cuando el proceso mide cerca del rango

del 100%. Esto podría ser un problema serio para realiar diagnostico, desde que solo aparece durante

unas condiciones de proceso y no en otras. Un instrumentista puede testear solo las fallas de cableado

(perdida de coneciones, terminales corroidos, etc) y nunca pero nunca encontrará el problema.

 Cuando un transmisor loop-powered esta falto de voltaje, su funcionamiento es erroneo. Esto

es especialmente cierto en transmisores "inteligentes" con un microprocesador dentro. Si el voltaje en los

terminales cae por dejo de lo requerido, el microprocesador simplemente se apagará. Como resultado

tendremos un ciclo lento de on/off de la corriente del transmisor, lo cual hace creer al controlador que la

variable de proceso esta creciendo enormemente. El problema desaparece, tan pronto como el voltaje en

los bornes sea mayor al minimo para trabajar.

Metodos no intrusivos para medir corriente en lazos instrumentados: clamp-on y diodo test

Una mejor manera para medir una señal de 4-20mA sin interrumpir el lazo es hacerlo magneticamente,

usando un miliamperimetros "clamp-on" o de "pinzas" (algunos lo llaman pinza amperimetrica). Sensores

modernos en base al efecto Hall son altamente sensibles y precisos para monitorear la campos

magneticos debiles creados por el paso de pequeñas corrientes DC en el cableado.

Los amperimetros usando sensores de efecto Hall son completamente no intrusivos porque ellos

solamente se procede a colocar la pinza alrededor del cable, no siendo necesario "romper" el circuito. Un

ejemplo de una instrumento para medir miliamperios con pinzas es el Fluke modelo 771, mostrado en la

siguiente fotografía:

Demonos cuenta como este miliamperimetro no solo registra la corriente en el lazo (3.98 mA como

muestra la fotografia), sino que tambien convierte el valor de milimaperios en un rango de porcentaje,

siguiendo el estantar 4-20mA. Una desventaja para tener en cuenta en miliamperimetros de pinzas es que

son suceptibles a perturbaciones por fuertes campos magneticos externos. Campos magneticos

estacionarios (por ejemplo provenientes de equipos DC energizados magnetizados) pueden ser

compenzados ajustando el "zero" del instrumento en una orientación similar antes de medir el lazo de

corriente a través del cable.

 Usando diodos de prueba para medir una lazo de corriente

 Otra manera de medir una señal de 4-20mA sin interrumpirla es usando un diodo rectificador,

originalmente instalado en lazo cuando fue comisionado. Un diodo "test" puede ser puesto en cualquier

lugar en serie con el lazo. Durante una normal operacion, en el diodo caera aproximadamente 0.7 voltios,

caida tipica en cualquier diodo recticador de silicio cuando es polarizado. El siguiente esquema muestra

un diodo instalado en un lazo de un transmisor de dos hilos:

Si alguien conecta el miliamperimetro en paralelo con este diodo, la baja resistencia de entrada dentro de

amperimetro (casi nula) corto-circuitara al diodo evitando que cualquier voltaje sustancial caiga al pasar

por el. Por tanto como la caida de voltaje es casi nula, el diodo efectivamente "turns off" o se corta no

permitiendo la circulacion de corriente, lejando la corriente del lazo en su totalidad pasar a traves del

amperimetro.

Cuando el miliamperimetro es desconectado, el requisito de caida de 0.7 voltios para "turn on" o activar el

diodo, y toda la corriente pasará nuevamente a traves del diodo. Entonces en ningun momento el lazo de

corriente fue interrumpido, lo cual significa que podemos tomar todas las medidas que querramos y no

preocuparnos de generar falsos indicadores del proceso (como alarmas, y perturbaciones de las señales).

 Este diodo debe ser instalado cerca de la caja de paso o "junction box", entre terminales o borneras o

incluso incorporados dentro del transmisor mismo. Algunos transmisores de proceso tienen un par extra

de terminales etiquetadas como "test" para este proceso exactamente. Un diodo ya instalado en un

transmisor, y estos terminales "test" sirven como punto para conectar el miliamperimetro.

La siguiente figura muestra un ejemplo de este caso en un transmisor de presión diferencial modelo

Rosemount 3051:

Date cuenta que dos puntos estan etiquetados como TEST abajo y a la izquierda de los pernos terminales

principales donde el lazo es conectado. Conectando un amperimetro en estos dos puntos permiten una

medida directa de señales de corriente de 4-20mA sin tener que desconectar de ninguna manera

cualquier conexion en el lazo.

Solución de problemas en lazos de control: consideraciones de seguridad para medir corriente

Un principio fundamental en la solución de problemas en sistemas de instrumentación es que todos los

instrumentos tienen al menos una entrada y al menos una salida, y que las salidas deberian exactamente

corresponder a las entradas. Si la salida de un instrumento no esta adecuadamente correspondiendo a su

respectiva salida acorde la funcion de diseño del instrumento, entonces podemos intuir que algo malo

esta pasando con ese instrumento.

 Consideremos las entradas y salidas de varios instrumentos comunes: transmisores, controladores,

indicadores y válvulas de control. Cada uno de estos instrumentos toman información (entrada) de alguna

forma, y generan (salida) información en alguna forma. En cualquier intrumento de un "lazo", la salida de

un instrumento alimenta a la entrada del siguiente, de tal manera que la información se transmite de un

instrumento a otro.

Al interceptar la información comunicada entre los componentes de un sistema instrumentado, nosotros

podemos localizar y aislar las fallas. Para entender adecuadamente esta informacion interceptada,

debemos entender las entradas y las salidas desde las perspectiva del instrumento y sus funciones

basicas.

 La siguiente grafica muestras las entradas y salidas mas comúnmente encontradas en sistemas de

control:

Para revisar un buena correspondencia entre las entradas y salidas de un instrumento, debemos poder

usar de buena forma equipos de testeo o prueba para interceptar las señales que entran y salen de estos

instrumentos. Para instrumentos basados en señales de 4-20mA, esto significa que debemos poder usar

medidores de señales eléctricas de manera precisa ya sea corriente o voltaje.

  Usando un miliamperimetro estándar para medir un lazo de corriente

 Desde que las señales medidas se representan por una corriente electrica en lazos de instrumentacion,

un herramienta obvia usada para la solucion de problemas es un Multimetro capaz de medir de manera

precisa miliamperios DC. Desafortunadamente, sin embargo, hay una desventaja cuando usamos

multimetros: debemos "romper" el circuito al momento de conectar en serie el multimetro para medir la

corriente, y esto significa que la corriente caerá a 0 mA hasta que el multimetro sea conectado (entonces

caerá a 0mA cuando el multimetro sea retirado del circuito tambien). Interrumpir la corriente circulante

significa interrumpir el flujo de informacion transmitida por esa corriente, que puede ser la medida del

proceso o una señal que controla un elemento final de control. Esto tendrá efectos negativos en el

sistema de control a menos que se sigan los procedimientos adecuados.

 Antes de "romper un lazo" para conectar el multimetro, uno primero debe advertir a todo el personal

interesado que la señal será interrumpida al menos dos veces, cayendo  a un valor de -25% cada vez. Si

la señal a ser interrumpida viene de un transmisor de proceso a un controlador, el controlador debería ser

puesto en modo Manual entonces no causará desarreglos en el proceso (como mover el elemento final de

control abruptamente  cuando se pierda la señal de proceso o PV). Tambien, las alarmas del proceso

deberían ser desabilitadas temporalmente para que estas no causen alerta o pánico. Si esta señal de

corriente tambien controla alarmas de paradas de emergencia, estan tambien deben ser temporanmente

deshabilitadas!!!.

 Si la señal de corriente a ser interrumpida es un señal de comando de un controlador hacia un elemento

final de control, el elemento final de control o bien necesita ser maniobrado manualmente para

mantenerse fijo, mientras que la señal varia, o bien se necesitaría poner activo su "bypass"

completamente. Si el elemento final de control es una válvula de control, esta tipicamente tiene un arreglo

de válvulas manuales que hace la función de bypass como se muestra en la figura siguiente:

 Dado que el bypass operado manualmente ahora realiza la función de la válvula de control, el operador

debe mirar con cuidado abriendo y cerrando segun convenga para mantener estable el control del

proceso.

 Las válvulas de bloqueo y bypass para un control de flujo de gas puede ser apreciado en la siguiente

foto:

Teniendo en cuenta las labores de seguridad para interrumpir la señal de control en una válvula de control

en un proceso "vivo", podemos ver que la tarea que aparentemente es simple de conectar un

miliamperimetro en serie a una señal de corriente de 4-20mA NO ES tan facil como a primera vista

parece. Pero mejores formas deberían existir no?

Transmisores 2-wire o de dos hilos: el voltaje siempre junto con la corriente 4-20mA!!!

Es posible combinar la energia eléctrica y la comunicación analogica sobre el mismo par de cables

usando 4-20mA DC, si diseñamos el transmisor para ser "loop powered" o "alimentado por el lazo". Un

transmisor loop-powered se conecta al controlador del proceso de la siguiente manera:

Aqui, el transmisor no es realmente una fuente de corriente como en un transmisor de cuatro hilos. A

cambio, un transmisor de dos hilos es diseñado para actuar como un regulador de corriente, limitando la

corriente al valor que representa la medida de proceso, mientras se apoya en una fuente remota de poder

para promover el flujo de corriente. Debemos darnos cuenta, la direccion de la flecha en simbolo de la

fuente de corriente dependiente del transmisor, y como se relaciona con los signos de la polaridad del

voltaje. Mirando en el articulo anterior, la imagen de un circuito de un transmisor de 4 hilos para comparar.

La fuente de corriente en este transmisor loop-powered o de "dos hilos" en realidad se comporta como un

carga electrica, mientras que la fuente de corriente en un transmisor de 4 hilos funciona como realmente

una fuente de corriente.

 Un transmisor loop-powered toma la energia del voltaje mínimo y corriente en sus dos terminales. Con

una tipica fuente de voltaje empezando con 24 voltios DC,y una caida de voltaje máximo a traves de la

resistencia de 250 Ohm en el controlador de 5 voltios DC, el transmisor deberia siempre tener al menos

19 voltios disponibles en sus terminales. Dando el extremo inferior del rango de 4-20mA, el transmisor

deberia siempre tener al menos 4mA de corriente para funcionar. Por tanto, el transmisor siempre tendrá

una cierta cantidad de energia electrica disponible en el cual operar, mientras que la corriente regulada

representa la medida del proceso.

 Internamente, el hardware de un transmisor de 2 hilos se parece al diagrama de abajo. Demonos cuenta

que todo lo mostrado con lineas punteadas en el siguiente diagrama representa el transmisor de dos hilos

de la figura anterior:

Todo la circuiteria de sensado, scalado, y acondicionamiento de salida dentro del transmisor debe ser

diseñada para funcionar a menos de 4mA de corriente DC, y a un "modesto" voltaje en los bornes. Para

crear un lazo de corriente de mas de 4mA (o lo que el transmisor hace para abarcar todo el rango de

señal 4-20mA), el transmisor usa un transistor para derivar (bypass) corriente extra de un terminar hacia

el otro tanto como necesita para hacer que la corriente total indicada por la medida del proceso. Por

ejemplo, si la corriente de operacion interna en el transmisor es solo 3.8mA, y debe regular la corriente de

lazo a un valor de 16mA para representar una condicion de 75% de medida de proceso, el transistor

derivará 12.2mA de corriente.

Una cantidad muy baja de potencia electrica disponible un los terminales de un transmisor de 2 2 hilos

limita su funcionalidad. Si el transmisor requiere mas energia electrica que puede enviar con 4

miliamperios y 19 voltios (minimos de cada uno), la unica solucion es usar un transmisor de 4 hilos donde

la energia esta separada de la señal de 4-20mA. Un ejemplo de un transmisor de proceso que debe ser

de 4 hilos es en un analizador quimico como un cromatografo, requiriendo la energia suficiente para

operar un calentador electrico, una valvula solenoide, y una computadora "on-board" para procesar los

datos del sensor. No hay manera de operar una maquina compleja como un cromatografo moderno con

solo 4 miliamperios y 19 voltios!!.

 Los primeros transmisores industriales actuales no eran capaces de operar en niveles tan bajos de

energía eléctrica, por lo que utilizaba un estándar diferente de la señal actual: de 10 a 50 miliamperios

CC. El suministro de alimentación de lazo para estos transmisores varió más de 90 voltios para

suministrar energía suficiente para el transmisor. Por temas de seguridad seguridad hecho el estándar

desde 10 hasta 50 mA inadecuado para algunas instalaciones industriales y circuitos microelectrónicos

modernos se pudo reducir a un menor consumo de energía haciendo que el estándar de 4-20 mA sea en

la práctica el mas usado en casi todos los tipos de transmisores de proceso actualmente.

Transmisores 4-wire o de cuatro hilos: la fuente siempre aparte!!

 Las señales de corriente DC pueden tambien son usadas para comunicar informacion de mediciones de

proceso desde los transmisores hacia los controladores, indicadores, registradores, alarmas, y otros

dispositivos de entrada. Recalquemos que el proposito de un transmisor es sensar alguna variable fisica

(como presion, temperatura y se entiende que tiene dentro un sensor) y luego reportar la cantidad medida

en forma de señal electrica, en este caso de 4 a 20 miliamperios de corriente DC proporcional a la

cantidad medida.

La forma mas simple es donde el transmisor tiene dos terminales para los cables de señal de 4-20mA y

dos terminales mas donde se conectara un fuente de energia. Estos transmisores son llamados "4-wire" ó

"de cuatro hilos" o "auto-alimentados". La señal de corriente del transmisor se conecta a los terminales de

entrada de la variable de proceso en el controlador para completar la adquisicion de la señal.

Tipicamente, los controladores no son equipados para aceptar directamente entradas de señales en

miliamperios, pero si señales de voltaje. Por esta razon, nosotros debemos conectar un resistencia de

presicion a traves de los terminales para convertir la señal de 4-20mA a un voltaje estandarizado que el

controlador puede entender. Una rango de señal de voltaje de 1 a 5 voltios es estandar, aunque algunos

modelos de controladores usan un rango diferente de voltaje y por tanto diferentes valores de resistencias

de presicion. Si el rango de voltaje es de 1-5 voltios y el rango de corriente es 4-20mA, el valor de la

resistencia de presicion debe ser de 250 Ohms.

 Desde que estamos hablando de un controlador digital, la entrada de voltaje en los terminales del

controlador es interpretada por un circuito convertidor analogo-digital (ADC), el cual convierte la medida

de voltaje en un numero digital que el microprocesador del controlador pueda interpretar y trabajar.

 En algunas intalaciones, la alimentacion del transmisor es proveida por dos cables adicionales

conectados a una fuente de poder localizada en el mismo panel del controlador:

La desventaja obvia de esta estructura es que se necesita dos hilos mas en el cable. Mas hilos (o pares

de hilos) significan que el cable tendra que ser de mayor diametro y mas caro para la longitud dada. Los

cables con mas hilos requeriran un metrado mayor de conduit para protegerlos, y todos los paneles de

cableado deberan contener mas borneras o bloques terminales para ordenar los hilos adicionales.

Si no existe una fuente de energia electrica en donde se localiza el transmisor en planta, sera necesario

tender los 4 hilos para poner en servicio al transmisor.

Controladores y su fuente de corriente de 4-20mA: como se manejan lo elementos finales de control?

La forma mas simple donde encontramos señales de 4-20 mA es cuando las usamos para enviar señales

de salida por un controlador, enviando esta señal hacia el elemento final de control. Aqui, el controlador

provee energia y señal con información hacia el elemento final de control, el cual actúa como una carga

electrica. Para ilutrar esto, consideremos el ejemplo siguiente en donde el controlador envia un siñal de 4-

20mA a un convertirdor de señal I/P (corriente-presión), el cual entonces maneja la valvula de

control matemáticamente.

Este controlador en particular tiene dos displays digitales, uno para la variable de proceso (PV) y otro para

el setpoint (SP), con un bargraph (grafico de barra) para mostrar el valor de la señal de salida (OUT). Un

pulsador provee al operador la manera para que pueda cambiar entre modo Automatico y Manual (A/M),

mientras los dos otros botones proveen un decremento e incremento del valor de setpoint (en modo

Automatico) o el valor de salida (in modo Manual).

 Dentro del controlador, una fuente de corriente provee los 4-20mA DC para el convertidor I/P. Como

todas los fuentes de corriente, su proposito es mantener la corriente en el "lazo" sin tener en cuenta la

resistencia del circuito y cualquier fuente de voltaje externa. A diferencia de una fuente de corriente

constante, una fuente de corriente "dependiente" (representada por una forma de un rombo en lugar de

un circulo) varia el valor de corriente de acuerdo a algun estimulo externo. En este caso, el calculo

matematico del controlador (en modo Automático) o un valor fijado por el operador (modo Manual) le dice

a la fuente de corriente cuanto corriente DC debe mantener en el circuito.

 Por ejemplo, si el operador cambia a modo Manual y fija el valor a 50%, la cantidad adecuada para este

valor en porcentaje seria 12 mA (exactamente la mitad entre 4mA y 20mA). Si todo trabaja

adecuadamente, la corriente en el "lazo" hacia el convertidor I/P deberia ser exactamente 12mA sin

importar algun pequeño cambio en la resistencia del cable, de la bobina del I/P, o cualquier otra

perturbacion: la fuente de corriente dentro del controlador "luchará" tanto como pueda para mantener la

corriente en un valor fijo sin variaciones. Esta corriente, crea en la bobina dentro del convertidor I/P un

campo magnetico para actuar sobre un mecanismo neumatico y producir 9 PSI de presion de salida hacia

la valvula de control (9PSI es exactamente la mitad entre 3 PSI y 15 PSI de presion). De modo que esto

debería mover la valvula de control en un 50% de apertura o posición.

 Los detalles de la fuente de corriente interna del controlador no suelen ser muy "complicadas".

Usualmente, toman la forma de un circuito con amplificadores operacionales.

 Nuestro escenario seria igual si es que reemplazamos el convertidor I/P y la válvula de control con un

variador de velocidad y un motor. Desde la perspectiva del controlador, la unica diferencia seria que ya no

se tendria una carga inductiva sino una carga resistiva. La resistencia de entrada del variador de

velocidad convierte la señál de 4-20mA en una señal de voltaje (tipicamente 1-5v, pero no siempre). Este

señal de voltaje entonces contituye un comando para decirle al modulador de potencia "cuanta" energia

electrica debe dar al motor para llegar a una determinada velocidad.

En este caso, el variador de velocidad tiene un circuito de potencia que tiene una toma trifasica AC y la

convierte a potencia DC a un rango de voltaje variable (ese nivel de voltaje es controlado por la señal 4-20

mA que bota el controlador). Otro estilo de variador de velocidad es uno que tiene una toma AC y tiene

una salida trifasica AC a un voltaje y frecuencia variable para potencia en un motor AC de induccion. Este

tipo de variadores de velocidad son usualmente llamados "variador de frecuencia" o VFD.

 La señal 4-20mA y su proporción a variables fisicas: nunca esta de mas repasarlo

La forma mas popular para transmitir señales en instrumentacion industrial, aun hoy en dia, es el estandar

4 a 20 miliamperios DC. Esta es una señal estandar, que significa que la señal de corriente usada es

usada proporcionalmente para representar señales de medidas o salidas (comandos). 

Tipicamente, un valor de 4 miliamperios de corriente representa 0% de medida, y un valor de 20

miliamperios representa un 100% de la medida, y cualquier otro valor entre 4 y 20 miliamperios

representa un porcentaje entre 0% y 100%.

Por ejemplo, si estamos calibrando un transmisor de temperatura a 4-20mA para medir rango de 50 a 250

grados C, podriamos representar los valores de corriente y temperatura como el siguiente grafico:

Esta señal de 4-20mA tambien es usada para sistemas de control para comandar posicionadores en una

valvula de control o en variadores de velocidad. En estos casos, el valor de miliamperios no representa

una medida del proceso, pero si un grado el cual el elemento final de control influye en el proceso.

Tipicamente (pero no siempre !!) los 4 miliamperios comandan a cerrar la valvula de control o parar un

motor, mientras que 20 miliamperios comandan a abrir totalmente una valvula de control o poner un motor

a su maxima velocidad.

 Por tanto, casi todos (aun hoy en dia) sistemas de control usan dos diferentes señales de 4-20mA: una

para representar variables de proceso (PV) y una para representar comandos hacia un elemento final de

control (la variable manipulada o MV).

La relacion entre estas dos señales depender enteramente de la respuesta del controlador. No hay razon

para decir que las dos señales van a ser iguales, por que representan dos cosas totalmente diferentes. De

hecho, si el controlador es de accion inversa, es totalmente normal que las dos señales sean

inversamente proporcionales, cuando la señal de proceso PV de incrementa va hacia el controlador de

accion inversa entonces la señal de salida se decrementara. Si el controlador es puesto en modo

"manual" por el operador, la señal de salida no sera automaticamente proporcionada a la señal de entrada

PV del todo, en cambio esta señal sera totalmente manipulada a gusto del operador.

 Proporcionando señales 4-20mA a variables medidas

 Una señal 4 a 20 mA representa alguna señal en una escala de 0 a 100 en porcentaje. Usualmente, es

una escala lineal, como:

Siendo una funcion lineal, podemos usar la ecuacion de una recta para proporcional las señales medidas

a sus respectivos valores de corriente:

y = mx + b

 Donde:

y = Salida del intrumento

x = Entrada del Instrumento

m = Pendiente de la recta

b = punto de intercepto respecto a y (por ejemplo el "live zero" cero del rango del instrumento)

Una vez determinada los valores adecuados para m y b, podemos entonces usar esta ecuacion lineal

para predecir cualquier valor para y dado un valor x, y vice-versa. Esto sera muy util para nosotros cuando

busquemos determinar el valor de señal 4-20mA de salida de cualquier transmisor, o la posicion de

vastago de una valvula ente una salida de señal 4-20mA, o cualquier otra correspondencia entre una

señal 4-20mA y alguna variable fisica.

 Antes que podamos usar la ecuacion para cualquier proposito, debemos determinar los valores de la

pendiente (m) y el intercepto (b) apropiados para el intrumento que deseamos aplicar la ecuacion. Luego,

veremos algunos ejemplos para hacer esto.

 Para la ecuacion lineal mostrada, podemos determinar el valor de la pendiente (m) dividiendo el "rise"

entre el "run" es decir los rangos en miliamperios (4-20mA) y rango de apertura (0 -100 %).

Para calcular el intercepto (b), todo lo que necesitamos hacer el resolver la ecuacion en un punto

determinado (x - y). En este caso probamos el punto (0,4) es decir a 0% tenemos 4 miliamperios y

calculamos:

Ahora que tenemos nuestra ecuacion completa podemos describir la relacion entre la señal 4-20mA y un

señal de apertura 0-100%, podemos usarla para determinar cuantos miliamperios representan cuaquier

porcentaje de señal. Por ejemplo, supongamos que necesitamos convertir un porcentaje de 34.7% a su

correspondiente señal de corriente de 4-20mA, como se representa en la siguiente grafica

Entonces haríamos algo como esto:

Por tanto, 34.7% es equivalente a 9.552 miliamperios en una rango de señal de 4-20mA.

Conexiones, borneras y terminales de cables: wiring de instrumentación - Parte 2 - 2

Diferentes estilos de borneras son proveidas por diversos fabricantes para las diferentes necesidades de

cableado. Algunos bloques terminales o borneras, por ejemplo, tiene multiples niveles en lugar de solo

uno. La siguiente figura muestra un terminal de dos niveles sin pernos de ajuste o "screwless".

En la figura siguiente muestra una bornera de tres niveles con pernos de ajuste:

Algunas borneras multinivel proveen la opcion de manejar "jumpers" internos para conectar dos o mas

niveles.

En otros casos las borneras pueden incluir mayores caracteristicas como led indicadores, switches,

fusibles e incluso circuitos reset para breackers en espacios reducidos. La figura siguiente muestra una

bornera con fusible:

En muchos instrumentos de campo, sin embargo, no cuentan con borneras como las que hemos venido

hablando en este articulo sino que vienen con unos pernos de ajuste pero por compresion en las cabezas

de dichos pernos. Cables relativamente gruesos pueden ser conectado a estos bornes sin mayores

problemas si es que tenemos cuidado en realizar la compresion en toda la circunferencia de la cabeza del

perno, como se muestra en la figura siguiente:

El problema de realizar una compresion directa del perno hacia el cable (compresion de la cabeza perno)

es que se somete a fuerzas de compresion y de corte. Como resultado, con el tiempo la punta del cable

tiende a ser dañana por multiples conexiones. Por otro lado, la tension del cable puede hacer tender girar

(en muy pocos grados) el perno de ajuste, lo que hara que potencialmente se afloje con el tiempo.

La mejor manera de realizar el conectorizado de las puntas de nuestro cableado en este tipo de bornes

"screw-style" es primero instalar un terminal a compresion en las puntas. En la foto siguiente se muestra

borneras screw-style que estan conectadas a cableado con terminales tipo compression-style:

Los terminales compression-style vienen en dos variadades: fork y ring (tipo tenedor y anillo). Como

podemos mostrar en el siguiente grafico:

Los terminales fork son faciles de instalar y remover, pero los terminales tipo ring son mucho mas

seguros, desde no los podemos retirar tan facilmente evitando desconexiones por accidentes.

Este tipo de terminales es incadecuado cuando tenemos cableado solido y gruedo. Aunque en primera

instancia en cableado solido podria parecer que el terminal se adapta muy bien se tiene a perder tension

con suma rapidez sobre todo cuando hay movimiento o vibracion. Los terminales a compresion solo

deberan ser usados en cable multipar o par trenzado.

La correcta instalacion de estos terminales compression-style requiere el uso de una herramienta especial

de presan "crimping tool", como se muestra en la figura siguiente:

Siempre debemos tener en cuanta el calibre de cable que vamos emplear y ubicarlo en la seccion

adeacuada de la herramienta, es decir si estamos presando un terminal para cable de 20 AWG entonces

mos ubicaremos en la seccion 22 - 18 de la herramienta (para cables desde 18 hasta 22 AWG) tal como

se muestra en la figura arriba. Por ultimo un prensado perfecto debera lucir como la fotografia siguiente:

Conexiones, borneras y terminales de cables: wiring de instrumentación - Parte 1 - 2

Hay mucho que decir respecto a los detalles que se deben tener en cuenta para realizar el cableado de

una señal electrica. A pesar de que a los electrones no les "importa" la forma como los cables de señales

son instalados, para nosotros los ingenerios y/o tecnicos instrumentistas debemos mantener todo un

sistema y programa de cableado. No solamente un cableado bien realizado o "pulcro" ayudara una rapida

solucion de problemas, sino tambien nos permiten una gran facilidad para realizar amplicaciones y

modificaciones en los sistemas de control.

En este articulo veremos una variedad de imagenes que nos muestran practicamente un cableado

perfecto. Por tanto, queda de trabajo para nosotros tratar de igualar o mejorar este nivel de cableado.

 En la figura siguiente podemos ver un cableado de distribucion de potencia a 120 voltios AC. Debemos

darnos cuenta como los "jumpers" o puentes curvos de color rojo estan todos (o casi) de la misma

longitud y como cada una de las etiquetas de los cables esta orientada de tal manera que permite un

lectura facil.

En esta fotografia de abajo, nos muestra una buena manera de relaizar las terminaciones de cables

multipares a los bloques terminales o borneras. Demonos cuenta como el extremo del cable (la capucha

principal que contiene los pares trenzados) es envuelta con un coberto termocontraible para definir una

apariencia limpia en el cableado.

Más allá de preferencias estéticas para el cableado de señal de instrumentos, sus practicas son basadas

en la teoría eléctrica. En este articulo y en los siguientes describiremos y explicaremos estas buenas

practicas de de cableado.

 Conexiones, borneras y terminales de cables

 Existen diferentes tecnicas para conectar conductores electricos: trenzados, soldados, prensados

(usando conectores a compresion) y de sujeción son ejemplos populares. En el campo industrial se

utilizan una combinacion de conectores a compresion llamados "terminales" y los terminales roscables o

"borneras" para sujetar cables de instrumentacion y otros cables.

 En la fotografia siguiente se muestra un tipico terminal trip o bloque terminal para señales de cables

pares tranzados conectados a otro cable par trenzado.

Si miramos de cerca la fotografia anterior, podemos ver las bases de los terminales a compresion al final

de los cables, precisamente donde son insertados en el bloque terminal. Estos bloques terminales usan

"bornes" que tienen unas pequeñas pernos para aplicar fuerza y sujetar a los terminales de los cables de

instrumentacion haciendo un contacto metal con metal dentro de cada bloque. En la figura siguiente

muestra como los terminales a compresion lucen en la terminacion de un cable:

Es evidente que en la figura de arriba solo muestra el terminal a compresion solo en un solo hilo del par,

pero siempre va instalado en un par de terminales en cada lado del par de cable. En borneras de

conexion simple como el dela figura arriba, el par de hilos de cada cable (uno positivo y otro negativo) son

instalados a mano en las borneras, el hilo positivo en siempre esta a la parte izquierda y con numeracion

impar y el hilo negativo en siempre en el lado derecho (del hilo positivo) y con numeración par.

En la foto siguiente podemos ver el interior de una bornera simple mostrando como los terminales a

compresion son instalados y como es que hacen la conexion (en este caso el lado derecho).

Algunas borneras no tienen pernos de ajuste, en lugar de ello utilizan un sistema mecanico con resortes

para fijar mecanica y electricamente los terminales:

En el próximo articulo hablaremos más sobre las conexiones eléctricas a instrumentación.

Doblado de tubing en instrumentación: consejos prácticosEl doblado de tubing es algo como un arte, especialmente cuando se hace en tubing de hacer inoxidable.

Realmente es gratificante ver como realizar maniobras de doblado de tubing con mucha perfeccion,

todoas las curvas perfectas, todas los codos perfectos, y todos los tubing paralelos perfectamente

tendidos y los tubing perpendiculares muy bien cruzados.

  Si es posible, es una meta del doblado de tubing es eliminar tantas conexiones adicionales sea posible.

Las conexion o empalmes siempre estan sujetas a fugas, y estas fugas se traducen en problemas.

Generalmente la longitud de cada pieza de tubing estan estandarizadas a 20 pies, pero aun asi hay varios

casos en los cuales es necesario hacer empalmes de tubing para ser tendidas y a veces en paralelo, para

estos casos debemos utilizar uniones y estas uniones deberan instalarse tomando en cuenta un espacio

respecto del resto para poder realizar maniobras de mantenimiento como manipulacion de las tuercas de

ajuste. La filosofia aqui, como siempre, es contruir un sistema de tubings pensando siempre en un trabajo

futuro. La siguiente fotografia muestra varios uniones de tubing de manera correcta:

Si el tubing de un instrumento debe conectarse entre un objeto estacionario y otro vibratorio, es

recomendable no hacer mucha rigidez del tubing puesto que no tendra mucha flexibilidad para absorver la

vibracion. Por el contrario, el tubing deberia tener un lazo de vibracion, dando la elasticidad necesaria

para apasiguar los efectos vibratorios. Un ejemplo de un lazo de vibracion en un tubing tiene lugar en el

tubing de aire de instrumentacion de una valvula, como podemos apreciar en la siguiente figura:

Cuando realicemos el doblado del lazo de vibracion, es muy util usar una circunferencia como una tubo de

gran diametro para que nos sirva de guia en lugar de intentar hacer el lazo puramente con muestras

manos.

Herramientas de avanzada para instalación de tubing en instrumentaciónHoy en dia existen una variedad de herramientas que nos pueden ayudar a realizar instalacion de tubing

con conectores a compresion o rectos. Uno de estos dispositivos es una herramienta electronica

mecanica fabricada por American Power Tool presisamente para el trabajo con tubings (miremos la figura

siguiente).

El Aeroswage SX-1 tiene un microprocesador que controla un motor electrico para rotar los pernos de

conectores o uniones con una dimension angular muy precisa, para realizar correctamente el ajuste de las

uniones. La herramienta viene con un set completo de accesorios que nos permitiran ejercer a precision el

torque requerido al conector sin necesidad de utilizar alguna otra herramienta.

En la figura siguiente se muestran un par de fotografias que nos muestra como esta herramienta puede

ayudarnos a ajustar o manipular instalaciones de tubing en un lugar no muy comodo, he incluso podria ser

dejado ejecutar el trabajo sin manupulacion del instrumentista (hand-free).

La cantidad de rotacion es programable, habilitando la herramienta para ser usada con diferentes tipos de

conectores. Para estandares industriales de conectores a compresion en tamaños como 1/4", 3/8", 1/2" la

recomendacion es dar una rotacion de 1-1/4 vueltas la cual puede ser programada mediante la

equivalencia en angulo de 450 grados:

Ademas de ellos, el microprocesador del dispositivo nos permite registrar todas las acciones realizadas

durante los trabajos. Esto puede resultar muy util para trabajos muy finos (como en aeronautica) donde

para cada conector se guarda la informacion de instalacion para fines de seguridad y control de calidad.

Esta "data" se puede descargar a una computadora a traves del puerto serial que tiene la herramienta. En

la figura siguiente podemos ver el display lcd mostrando datos de un registro como el numero de accion,

el angulo preciso, fechas y hora.

Para todos los conectores a compresion en instrumentacion, existen ademas herramientas hidraulicas

para proveer fuerza en caso se requiera y comprima los aros de metal en los tubing.

Union de tubings por compresion: conectores "compression-style"

En los articulos anteriores llamabamos indistintamente a las "tubos" de las "tuberias o lineas" de proceso,

pero debemos entender que en realidad si existe alguna diferencia. En este y los siguiente articulos

discutiremos algunas de las mas comunes formas de unir "tubos o tubings", tales como las terminaciones

de las tubings hacia equipos como intrumentos de presion.

Una de las diferencias fundamentales entre una tubo y una tuberia o linea es que la tuberia nunca esta

roscada en ninguna de sus terminaciones. Por el contrario, para esta tarea debemos hacer uso

accesorios especiales para lograr este acople entre tubos, o piezas de algun equipos (como un

instrumento). A diferencia de las lineas que son por naturaleza de pared ancho, los tubos (o en

instrumentacion tubings) son estructuras de pared delgada. El espesor de pared tipico de un tubing es

simplemente tan delgado como para ayudar al conexionado.

 Los tubings generalmente tienen ventaja sobre las tuberias para aplicaciones donde requiera diametros

pequeños. Asi como tambien son altamente preferibles para conectar instrumentacion a las lineas de

proceso por su flexibilidad de maniobra con herramientas de mano. Cuando usamos como dispositivo de

conexionado entre un instrumento y una linea o recipiente de proceso, los tubos son comunmente

llamados como tubos o lineas de sensado o simplemente "tubing" (tener en cuenta que estas definiciones

pueden variar dependiendo del pais).

 Union de tubings por compresión

 La forma mas comun de unir tubings con instrumentos son los conectores rectos o conectores a

compresion "compression-style", los cuales usan "anillo metalico o aro metalico" para asegurar un buen

sellado ante la presion del fluido. Los componentes escenciales de un conector de compresion son el

cuerpo, el aro metalico de hermeticidad y la tuerca de ajuste. El "ferrule" aro metalico de ajuste y el

cuerpo tienen una union conica diseñada para encajar finamente, formando un sello presurizado de metal

a metal. Algunos conectores presurizados usan dos puezas "ferrule" o aros metalicos de ajuste, como se

muestra en la figura siguiente (justo antes de ser ajustada):

Justo antes de ser emsamblada, nosotros vemos como la tuerca va recubirir los aros conicos de ajuste y

ellos van entrando en una entrada conica dentro del cuerpo del conector.

Despues de ajustar apropiadamente la tuerca, el aro metalico de ajuste continuara comprimiendo la

terminacion del tubing hacia el cuerpo del conector y por tanto efectuando el sellado apropiadamente.

Cuando ensamblamos conectores por compresion, debemos siempre seguir las instrucciones precisas del

fabricante para asegurar una correcta compresión de los componentes. Por ultimo un figura donde se

muestra el conexionado de los conectores rectos a compresion con una herramienta adecuada:

Conexion a procesos: tipos de conectores de tubing en instrumentacion

Los accesorios diseñados para conectar tubings a tuberias roscadas son llamados "conectores". Los

accesorios para conectar un tubing con otro son llamados uniones.

Si una union necesita juntar dos tubing de diferente tamaños en lugar de tubing de tamaña igual, son

llamados "reducciones".

 Una variacion respecto al tema de conectores y uniones de tubings es el bulkhead o "montada en

paneles o tabiques". Las uniones Bulkhead son diseñadas para fijarse a traves de agujeros en paneles o

gabinetes para proveer un camino o canal para el fluido involucrado para pasar a traves de la pared del

panel o gabinete. En escencia, la unica diferencia entre un bulkhead y una union normal es la longitud

adicional de la "barrera" y una tuerca especial que se utiliza para fijar la union en la pared del agujero. La

figura siguiente muestra tres tipos de uniones bulkhead:

Los codos de tubings son conectores con encurvados. Estos son muy utiles para hacer curvas y/o vueltas

sin tener que doblar el tubing mismo. Como los conectores estandares, puede interconectar tuberias

roscadas (hembra y macho)  o otros tubings:

Los codos mostrados en la figura de arriba son todos de 90º, pero esta no es el unico angulo disponible.

Codos de 45º tambien sin bien comunes en la industria.

Las "T" o "tees" nos sirven para unir tres tubings a la vez. Tees pueden tener una entrada para tuberia y

dos entradas para tubings (branch tees y run tees), o tres entradas para tuberias (union tees). La unica

diferencia entre una branch tee y una run tee es la orientacion de un extremo de una tuberia respecto a

los extremos de los tubing sobrantes.

Por supuesto, una tee branch y run tambien vienen para tuberia roscadas hembras. Una variacion en el

tema de las uniones T es la cross, pudiendo unir cuatro tubing a la vez:

Conexión de Instrumentación en Procesos Sanitarios o esterilizados

El procesamiento de alimentos, industrias farmacéuticas y procesos de investigación biológica son naturalmente muy sensibles ente la presencia de micro-organismos como bacterias, hongos entre otros. Es importante que estos procesos estén libres de micro-organismos perjudiciales, por la salud humana y el control de calidad de los productos.

Por esta razón, diseño de tuberías y recipientes en este tipo de industrias se basa primordialmente y ante

todo para que no se tenga la necesidad de desmontar al momento limpiarlas. Generalmente los ciclos de

limpieza y esterilización son planeados y ejecutados entre periodos de producción (batches) para

asegurar que ninguna colonia de micro-organismos pueda crecer.

 Un protocolo común Clean-In-Place (CIP) consiste en el lavado de todas las tuberías y recipientes del proceso con un acido alternativo y soluciones cáusticas, entonces se enjuaga con agua purificada. Para incrementar la desinfección, un ciclo de Steam-In-Place (SIP) puede ser incorporado también, lavando las líneas de procesos y recipientes con vapor a altas temperaturas para asegurar la destrucción de cualquier micro-organismo.

 Un característica de diseño importante para cualquier proceso sanitario o esterilizado es la eliminación de cualquier “dead ende” o “dead legs” (cualquier área de una tubería donde el agua o fluido esterilizante se puede estancar y no hace un intercambio o movimiento durante el lavado), o grietas. Esto incluye cualquier instrumento que este en contacto con el fluido del proceso. Seria peligroso, por ejemplo, conectar algo tan

simple como un manómetro de tubo de bourdon en una tubería que traslada fluidos sensibles biológicamente, puesto que en el volumen interior del manómetro se estancaran y podrán refugiar colonias de bacterias y hongos para crecer.

En vez de eso, cualquier manómetro deberá usar un diafragma de aislamiento, donde la presión del fluido del proceso será trasferido hacia el mecanismo de medición a través de un esterilizado “fill fluid” o fluido de relleno que nunca tendrá contacto con el fluido del proceso.

Con el diafragma de aislamiento, no habrá lugares de estancamiento del fluido de proceso y permitirá realizar los lavados CIP y SIP con efectividad.

 Los accesorios de conexión de tuberías estándares son un problema en sistemas sanitarios, así como los pequeños espacios entre las uniones roscadas que puedan proveer refugio a micro-organismos. Para evitar estos problemas, se hace uso de una serie de accesorios sanitarios especiales para tuberías. Estos accesorios consisten en la unión de un par de bridas, que se mantienen unidas por aun abrazadera externa. En la siguiente figura se muestra un conjunto de accesorios sanitarios en un banco de prueba de instrumentación:

En la figura siguiente se muestra la instalación de un transmisor de presión en una línea de agua “ultra pura” usando accesorio de unión sanitarias. La abrazadera externa que mantiene las dos bridas unidas, se puede ver claramente en la figura mostrada:

 Los accesorios de tuberías sanitarias no se limitan a las conexiones de instrumentos. Aquí hay dos fotografías de equipos de proceso (una válvula de bola a la arriba, y una bomba abajo) conectado a las tuberías de proceso utilizando accesorios sanitarios.

Conexion a proceso de Instrumentacion: conexiones roscadas

Para tuberías de tamaño reducido,  las uniones roscadas con ampliamente usadas para hacer uniones

entre líneas y equipamiento involucrado (incluyendo instrumentación). Un diseño muy común para

tuberías roscadas es la rosca cónica. La intención de una rosca cónica es permitir que la tubería y el

“accesorio” (en nuestro caso puede ser un instrumento)  se “suelden” fuertemente cuando las pongamos

juntas, creando una unión muy resistente mecánicamente y a prueba de fugas.

Cuando  la tubería hembra y macho son roscadas o unidas por primera vez, ello forman una unión débil o

“floja”.

Luego debemos ajustar de modo que completemos la unión de todas los tienes de la rosco de la tubería

hembra y macho, así:

En la actualidad existen bastantes estándares acerca de tuberías roscadas. Para cada estándar, se

establece el Angulo de la rosca, como el ángulo del cono. El paso de la rosca o “thread pitch” (numero de

roscas por unidad de longitud)  varia con el diámetro de la tubería.  Por ejemplo, tuberías roscadas de 1/8

‘’ NPT tienen un paso de rosca de 27 roscas por pulgada, tuberías roscadas de ¼’’ NPT y 3/8’’ NPT  tiene

18 roscas por pulgada, ½’’ y ¾’’ NPT tienen 14 roscas por pulgada, y de 1 pulgadas hasta 2 pulgadas

NPT tienen 11.5 roscas por pulgada. En los Estados Unidos, el estándar comúnmente usado para

tuberías roscadas es el NPT o National Pipe Taper. Las roscas NPT tienen un ángulo de 60° y un ángulo

de cono de 1° 47’ (1.7833°).:

Las tuberías roscadas NPT deben tener, antes de ser unidas, un elemento sellador para asegurar la

confiabilidad del sellado. Generalmente para esta tarea se usa cinta Teflón, aunque también existes en el

mercado una variedad se selladores para tuberías roscadas. Los selladores son necesarios en roscas

NPT por dos razones principales: para lubricar las piezas hembra y macho (evitando irritación o desgaste

entre las superficies de metal), y también para llenar el espacio entre las roscas (hembra y macho) es

decir el espiral (muescas) de toda la rosca.

Las tuberías roscadas NPTF (National Pipe Thread) son construidas con el mismo ángulo de rosca y paso

de rosca como el estándar NPT, pero tienen un adicional cuidado para evitar la espiral de fugo que

normalmente tiene las roscas NPT. Este diseño, al menos en teoría, evita el uso de un sellador para

lograr unir las piezas hembra y macho con una alta resistencia a fugas, por lo que las roscas NPTF con

comúnmente llamadas como sello seco o “dryseal”. Sin embargo, en la práctica es totalmente

recomendado usar algún sellador para lograr un sello confiable.

Otra estándar de roscas cónicas es la BSPT, o British Standard Pipe Tapered. Las roscas BSPT tienen un

estrecho ángulo de rosca que las roscas NPT (55° en vez de 60°) pero con el mismo ángulo de cono 1°

47’ (1.7833°).

Conexiones a proceso de instrumentación: uniones bridadas

En los siguientes artículos vamos a hablar de los métodos comunes que suelen unir tuberías (y unir

tuberías para equipos como instrumentos de presión o flujometros).

 Conexiones Bridadas

 En los Estados Unidos de América, gran parte de las tuberías en la industria suelen unirse mediante

bridas. Una tubería “bridada” es una tubería con un anillo de metal, usualmente soldada al final de la

tubería, con varias perforaciones y agujeros concéntricos a la tubería donde ingresan varios pernos para

hacer presión con otra brida.

Tuberias bridadas

 La unión de las bridas se hace mediante una serie de pernos y tuercas que conjuntamente con un

empaque “gasket” entre ambas bridas sellan la unión a prueba de presión (evitando fugas por alta

presión). Los empaques son fabricados de diferentes materiales más blandos que los del acero de las

mismas bridas. Cuando el empaque es atrapado entre las dos bridas, esta es aplastada y por tanto

evitara cualquier tipo de fugas del flujo hacia el exterior.

En la siguiente imagen se muestra en flujometro magnético instalado con bridas y sus 4 pernos:

Flujometro magnetico con conexión bridada

Si revisamos de cerca la unión de las bridas, podemos ver un espacio o brecha entre las caras de las

bridas creado por el espesor de la empaquetadura aplastada entre el par de bridas.

 Un método común para instalar la empaquetadura entre las dos bridas es primero instalar la mitad de

pernos (en los huecos del centro de la tubería hacia abajo), luego pones la empaquetadura entre las

bridas, y entonces insertamos el resto de pernos en los huecos superiores de la brida, y por ultimo

procedemos a ajustar todos los pernos en pares opuestos hasta ajustar todos adecuadamente.

Procedimiento para instalar empaquetadura en tuberias bridadas

En USA, las bridas suelen ser pedidas acorde con el sistema de “clases de presión” definidas en la ANSI

(American National Standards Institute) estándar 16.5. Estas presiones son diseñadas por valores

numéricos seguidos de “lb”, “libras” o “#”. Comúnmente la clasificación ANSI incluye 150#, 300#, 400#,

600#, 900#, 1500#, y  2500# clases de presiones. Debemos darnos cuenta que esta numero de

clasificación no refiere directamente a los rangos de presión en unidades como PSI, pero en la practica es

tomado como si lo fuera, es decir una brida clase 150# soportara una presión máxima de 150 PSI. Esto es

a consecuencia de que la clasificación de clases de bridas y la clasificación de presiones es similar, pero

solo en condiciones estándares de temperatura, mas no con metales que pueden deformarse a

temperatura elevadas.

 Originalmente, las clases de bridas ANSI fueron basadas en clasificaciones en base a condiciones de

flujo de vapor. Una brida de 250#, por ejemplo, fue calificada como tal porque fue diseñada para ser

usada en una tubería un servicio donde el fluido era vapor a 250 PSI (y 400 grados Fahrenheit). Conforme

avanza la metalurgia, estas bridas pueden ser capaces de soportar altas presiones a altas temperaturas,

pero la clasificación original se mantiene a pesar de ello.

 Las tuberías bridadas y sus componentes deben precisar la clasificación de las bridas y sus tamaños

para un adecuado funcionamiento. Por ejemplo, una válvula de control con un cuerpo bridado de 4

pulgadas ANSI Class 300# puede solo ser unida con otra brida de 4 pulgadas ANSI Class 300#. La

integridad física del sistema de tubería estaría en peligro si hay una descompensación entre las clases de

bridas a ser unidas. Una adecuada empaquetadura también debe ser seleccionada acorde con la presión

(clase) de las bridas. Por lo tanto, todas las bridas a ser unidas deberían ser consideradas como un

sistema completo, con seguridad garantizada solo si todos los componentes están debidamente

seleccionados para trabajar juntos.

 Un importante procedimiento para observar cuando se va a ajustar los pernos entre dos bridas es que

debe distribuirse uniformemente la presión en los pernos, es decir ninguna región de la brida debe recibir

mayor presión que las otras regiones. En palabras ideales, debemos ajustar todos los pernos con la

misma fuerza simultáneamente. Sin embargo, esto es imposible con una sola llave, la mejor alternativa es

ajustar los pernos con una secuencia alternada, y poco a poco ir aumentando la fuerza de ajuste poco a

poco en todos los pernos. Un muy ilustrativa forma de ajustar los pernos es mostrada en el siguiente

diagrama (los números indican el orden en el cual los pernos deberían ser ajustados).

Orden para ajustar pernos en uniones bridadas

Con una llave, ajustaríamos cada perno con una determinada fuerza en la primera secuencia. Luego,

repetimos la secuencia pero con una fuerza adicional y así repetiríamos la secuencia hasta que todos los

pernos queden debidamente ajustados.

Identificación de Instrumentos: como armamos los TAGs?

Hasta este punto, hemos explorado varios tipos de diagramas de instrumentación, y en cada uno hemos hecho referencia a diferentes instrumentos identificándolos mediante letras como TT (Transmisor de Temperatura “Temperature Transmitter”), PDT (Transmisor de Presión Diferencial “Pressure Differential Transmitter”) o FV (Válvula de Flujo “Flow Valve”), sin definir formalmente las letras usadas para identificarlos.

Una parte del Standard ISA 5.1 hace exactamente esto, es decir definir una nomenclatura para identificar

instrumentos acorde con sus funciones y tipos, es en este parte que nos vamos a centrar en el presente

artículo.

Cada instrumento dentro de una instalación o planta, debe tener su propio y único identificador o TAG que consiste en una serie de letras describiendo la función del instrumento, así como un numero que esta asociado a su respectivo lazo de control. Un número prefijo opcional puede ser incluido en el Tag para designar una área específica en el cual el instrumento esta instalado, y unas letras de sufijo para designar múltiples instancias del instrumento dentro del lazo.

Por ejemplo, si nosotros vemos un instrumento teniendo el tag FC-135, deberíamos saber que es un Controlador de Flujo (FC) para el lazo de control numero 135. En plantas de amplias instalaciones con múltiples unidades de proceso o áreas, un tag podría ser precedido por otro número el cual designaría el área involucrada. Por ejemplo, un controlador de flujo podría ser etiquetado o tener un tag como 12-FC-135 (controlador de flujo para el lazo #135, localizado en el área o unidad 12). Si este lazo tiene varios controladores, nosotros podríamos necesitar distinguir uno del otro entonces en este caso hacemos uso letras al final del tag. (Por ejemplo 12-FC-135A, 12-FC-135B, 12-FC-135C).

Todos los instrumentos dentro de un lazo en particular son primero definidos por la variable que el lazo censa o controla, indistintamente de su construcción física. En nuestro hipotética ejemplo el controlador de flujo FC-135, por ejemplo, puede ser físicamente idéntico a un controlador de nivel de lazo numero #72 (LC-72), o a un controlador de temperatura en el lazo #288 (TC-288). Lo que hace que el FC-135 sea una controlador de flujo es que el transmisor esta sensando/controlando flujo como variable primera del proceso. Del mismo modo, la identificación de tags para todo otro instrumento dentro del lazo debe empezar con la letra “F” también. Hay tener en cuenta que en ciertos casos esta regla se rompe por ejemplo cuando tenemos un lazo en cascada o feedforward donde hay múltiples realimentaciones de señales de trasmisores que ingresan a un mismo controlador, cada transmisor en este caso es identificado por el

tipo de variable de proceso que sensa, y cada controlador es identificado de la misma manera. Esta regla también incluye al elemento final de control: en un lazo de control de nivel, el transmisor será identificado como un “LT” incluso si la variable sensada es indirectamente medida mediante presiones (como el caso de un transmisor de presión diferencial), el controlador será identificado como un “LC”, y la válvula de control que actúa sobre algún flujo será identificado como un “LV”, todo instrumento en ese lazo de control de nivel ayudara a controlar NIVEL y su función primaria será el control o medida de nivel.

Varias nomenclatura reconocidas por la ISA para definir variables primarias de procesos de instrumentos dentro de un lazo es mostrado en la siguiente tabla. Debemos darnos cuenta el uso de un modificador define una única variable, por ejemplo a “PT” es un transmisor de presión en un punto simple de un proceso. En cambio un “PDT” es un transmisor de presión diferencial entre dos puntos de un proceso. Axial mismo, un “TC” es un controlador de temperatura, en cambio un “TKC” es un controlador del tasa de cambio de temperatura “rate-of-change of temperature”.

Letter Variable ModifierA Analytical (composition)  B Burner or Combustión  C User-defined  D User-defined DifferentialE Voltage  F Flow Ratio or FractionG User-defined  H Hand (manual)  I Current  J Power SeanK Time or Schedule Time rate-of-changeL Level  M User-defined MomentaryN User-defined  0 User-defined  P Pressure or Vacuum  Q Quantity Time-Integral or TotalR Radiation  S Speed or Frequency SafetyT Temperature  U Multi-function  V Vibration  w Weight or Forcé  X Unclassified X-axisY Event, State, or Presence Y-axisZ Position or Dimensión Z-axis

Una letra designada como “user-defined” representa una variable no estándar usado en múltiples veces en un sistema instrumentado. Por ejemplo, un ingeniero diseñando un sistema instrumentado para medir y controlar el “refractive index” o índice de refracción de un líquido podría elegir usar la letra “C” para esta variable, Por lo tanto un transmisor de “refractive-index” seria designado como “CT” y una válvula de control de “refractive-index” seria “CV”. Esto significa que una variable user-defined necesita ser definida en una localización (por ejemplo en la leyenda del diagrama o plano).

Una letra designada como “unclassified” representa una o más variables no estándares, cada una usada solo una vez (o muy pocas veces) dentro del sistema instrumentado.

Para construir nuestros tags debemos hacer que estas representen de la mejor manera función que involucra dentro del proceso. Por ejemplo un “PT” es un instrumento que transmite una señal que representa presión, mientras que PI es un indicador de presión y un “PC” es un controlador de presión. Muchos instrumentos tienen múltiples funciones asignadas por múltiples letras, como un TRC (Controlador Registrador de Temperatura). En otros casos, la primera letra representa una función “pasiva” (usualmente proveída por el operador) mientras que la segunda letra representa una función de control “activa” (automatizada).

Letter Passive function Active function ModifierA Alarm    B User-defined User-defined User-definedC   Control  E Element (sensing)    G Glass or Viewport    H     HighI Indicate    K   Control station  L Light   LowM     Middle or IntermedíateN User-defined User-defined User-defined0 Orífice    P Test point    R Record    S   Switch  T   Transmit  U Multi-function Multi-function Multi-functionV   Valve, Damper, Louver  W Well    X Unclassified Unclassified UnclassifiedY   Relay, Compute, Convert  Z

Driver, Actuator, or

unclassified final  

Una variedad de combinaciones de letras son frecuentemente usadas para identificar detalles no estandarizados por la ISA. Por ejemplo, un analizador químico frecuentemente tiene su conexión para la entrada de muestras representado con la combinación de letras “SC”, a pesar de que esto no aparezca en ninguna parte del estándar ISA 5.1.

En la siguiente lista, se muestran algunos ejemplos de tags comúnmente usados:

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->AIT = Analytical Indicating Transmitter (ejm, un analizar de concentración de oxigeno con un display incluido que muestra el porcentaje de concentración)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->ESL = Voltage Switch, Low (Ej. Un switch usado para detectar condiciones de bajo voltaje en sistema eléctrico de potencia)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->FFI = Flow Ratio Indicator (Ej. Un dispositivo que nos indica la proporción entre aire y combustible para un motor industrial)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->FIC = Flow Indicating Controller (Ej Un controlador designado para indicar flujo a los operadores)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->HC = Hand Controller (Ej Un dispositivo que permite al operador fijar una señal de control deseada de nivel, usualmente una válvula)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->JQR = Power Totalizing Recorder (Ej. Registrador de potencia, y seguimiento de la energía usada)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->LSHH = Level Switch, i.e.-i.e. (Ej. Switch de nivel para detectar un nivel alto de nivel de liquido y que puede iniciar un apagado o enclavamiento automático)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->LT = Level Transmitter (Ej Un transmisor de nivel)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->PIT = Pressure Indicating Transmitter (Ej un transmisor de presión que tiene incluido un display que muestra la presión en la unidad de ingeniería requerida)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->PDT = Pressure Differential Transmitter (Ej. Un transmisor de presión que puede sensar la diferencia de presión entre dos puntos de un proceso)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->PV = Pressure Valve (Ej. Un válvula de control instalada en un lazo donde la variable principal es la presión)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->TE = Temperature Element (Ej. un sensor de temperatura, como una termocupla, termistor, termómetro bimetalito, etc.)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->TKAH = Temperature Rate-of-change Alarm, High (Ej. Un dispositivo de alarma que se activa cuando la proporción de cambio de la temperatura excede un limite fijado)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->TV = Temperature Valve (Ej. Una válvula de control instalada en un lazo donde la variable de proceso es la temperatura).

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->TY = Temperature Converter (Ej.Un trasductor I/P en un lazo de temperatura)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->VSH = Vibration Switch, High (Ej. Un switch usado para detectar niveles altos de vibración en una bomba)

<!--[if !supportLists]-->• <!--[endif]-->ZXI, ZYI, and ZZI = Position Indicators for X, Y, and Z axes respectively (Ej.Indicadores que muestran sus posiciones en los tres ejes para una parte de una maquina CNC)

Diagramas de Lazo (loop diagrams): el control a detalle

Finalmente, nosotros llegamos el diagrama de lazo o “loop diagram” (algunas veces llamado loop sheet) para el sistema de control del compresor que empezamos a estudiar en artículos anteriores (http://www.instrumentacionycontrol.net/es/curso-practico-de-instrumentacion/332-documentacion-en-instrumentacion-pfd-paid-loop-diagram.html).

Click para agrandar el Diagrama

 Aquí nosotros podemos ver que el P&ID no nos mostró todos los instrumentos involucrados para este lazo de control. No solo, para este lazo, nosotros teníamos dos transmisores, un controlador, y una válvula; sino que también tenemos dos señales de provenientes de transductores. El transductor 42a modifica la señal del transmisor de flujo antes de ingresar al controlador, y el transductor 42b convierte la señal electrónica 4 – 20mA a una señal neumática (aire) a una presión entre 3 y 15 PSI. Cada “burbuja” o círculo de los instrumentos en el diagrama de lazo representa un dispositivo individual, con sus propios terminales para la conexión del cableado asociado.

 Debemos darnos cuenta que las líneas punteadas o discontinuas ahora representan cables de cobre en vez de todos los cables. Los bloques de terminales donde el cableado se conecta es representado por cuadrados con números dentro de ellos. El numero de cables, color de cableado, números de “junction blocks”, identificación de paneles, e incluso los puntos de aterramiento son todos mostrados en este tipo de diagramas. El único tipo de diagrama a un mas bajo nivel de abstracción que un diagrama de lazo seria un diagrama de esquemático electrónico para un instrumento individual, en el cual por supuesto solo mostraría detalles pertinentes respecto a ese único instrumento. Por lo tanto, el diagrama de lazo es la forma o documento mas detallado de todo el sistema de

control, y por tanto debe contener todos los detalles omitidos en los diagramas PFD y P&ID.

 Para ingenieros o técnicos principiantes podría parecer excesivo incluir trivialidades como el color de cableado en un diagrama de lazo. Para el instrumentista experimentado quien ha trabajado en sistemas de control con falta de información detallada o no muy precisa, esta información es altamente valorada. Mientras mayor detalle podamos incluir en nuestros diagramas de lazo, mucho más fácil será realizar tareas de mantenimiento en los mismos sistemas en el futuro. Cuando un diagrama de lazo muestra exactamente que color de cable esta asociado a algún bloque de instrumentación del sistema y exactamente que Terminal esta conectado, se torna mucho mas fácil proceder con cualquier tarea de mantenimiento correctivo (troubleshooting), calibración, etc.

 Un detalle interesante que podemos ver en este diagrama de lazo es que se especifica el “input calibration” y “output calibration” o rangos de calibración para cada instrumento del sistema. Esto es realmente importante, conocer el rango de calibración, cuando vamos a tratar de solucionar problemas complejos dentro del sistema instrumentado: cada instrumento tiene al menos una entrada “input” y una salida “output”, con alguna relación matemática simple entre ambos. El diagnóstico de un problema que se encuentra dentro de un sistema de medición o control a menudo se reduce a pruebas de varios instrumentos para ver si sus respuestas coinciden con la salida adecuada a sus respectivas condiciones de entrada.

 Por ejemplo, una manera de probar el transmisor de flujo en este sistema de control seria someterla a una serie de presiones diferentes dentro de su rango (rango especificado en el diagrama de 0 a 100 pulgadas de agua diferenciales “inches of water column differential – PSID”) y ver si es que o no la actual señal de salida del transmisor fue consecuentemente proporcional a la presión aplicada (por ejemplo 4mA a 0 PSID, 20mA a 100PSID, 12mA a 50 PSID, etc.).

 Teniendo en cuenta el echo de que un error de calibración o mal funcionamiento de cualquiera de estos instrumentos puede causar problemas en el sistema de control en su conjunto, es muy apreciado si podemos conocer alguna manera de determinar cual instrumento es el que nos causa problemas y cual no. Este principio o criterio general es válido independientemente del tipo de instrumento o de la tecnología: Podemos usar el mismo procedimiento input-vs-output para verificar una buena operación de un transmisor de nivel neumático (3 a 15 PSI) o en un transmisor de flujo electrónico (4 a 20mA) o un transmisor de temperatura digital (fieldbus) indistintamente. Cada y todo instrumento tiene una entrada y una salida, y hay siempre un correlación predecible (y comprobable) de uno al otro.

 Otro detalle interesante visto en el diagrama de lazo de ejemplo es la acción de cada instrumento. Podemos apreciar en el diagrama a lado del recuadro que contiene el rango calibrado del instrumento una fecha (que apunta hacia arriba o abajo). Una fecha hacia arriba (↑) representa un instrumento de acción directa “direct-acting instrument”: aquel cuya señal de salida aumenta a medida que aumenta el estímulo entrada. Una fecha hacia abajo (↓) representa un instrumento de acción inversa “reverse-acting instrument”: aquel cuya señal de salida disminuye a medida que aumenta el estímulo entrada. Todos

los instrumentos en este lazo son de acción directa con la excepción del transmisor de presión diferencia PDT-42:

<!--[endif]-->

Aquí, la fecha hacia abajo nos dice que el transmisor tendrá una señal de salida con rango máximo (20mA) cuando sense un valor diferencial de presión de cero, y una señal de 0% (4mA) cuando sense el máximo de presion diferencial es decir 200PSID. Mientras esta calibración podría parecer un poco confusa y no garantizada, sirve con un propósito definido en este sistema de control en particular. Desde que la señal de corriente del transmisor disminuye conforme la presión aumenta, y el controlador debe estar consecuentemente configurado, una disminución de la señal de corriente será interpretado por el controlador como un valor alto presión diferencial. Si cualquier conexión en el cableado fallara en el lazo de corriente 4-20 mA para este transmisor, el resultado 0 mA será naturalmente “visto” por el controlador como una condición de presión “over-range”. Esto es considerado peligroso en un sistema de un compresor porque se predice como una condición de fuga o inestabilidad. Por tanto, el controlador naturalmente tomara las acciones para prevenir esta sobre presión y mandara la válvula de control asociada a abrir, por “piensa” que el compresor esta a punto de ponerse inestable. En otras palabras, el transmisor es intencionalmente calibrado para ser de acción inversa dado que cualquier falla de señal (cableado defectuoso por ejemplo) el sistema será llevado a su condición mas segura.

Diagramas de Flujo de Procesos (PFD) y Diagramas de Proceso e Instrumentación (P&ID) : Interpretación

Diagramas de Flujo de Procesos (Process Flow Diagrams)

Para mostrar un proceso practico, vamos a examinar tres procesos separados para un sistema de control

de un compresor. En este procesos ficticio, el agua esta siendo evaporada de una solución de proceso

bajo un vació parcial (proveído por el compresor). El compresor entonces transporta el vapor hacia un

“knockout drum” o recipiente final donde algunos de ellos se condensan formando liquido. Como un tipo

PFD (Process Flow Diagram), este diagram muestra de la mejor manera las interconexiones entre los

procesos (recipientes y equipos), pero emite detalle como señales de instrumentación y instrumentos

auxiliares.

Uno podría adivinar las interconexiones de instrumentos basándose en las etiquetas o tags de los

instrumentos. Por ejemplo, una buena hipótesis sería que el transmisor de nivel (LT) en la parte inferior

del drum de podría enviar la señal de que eventualmente controla la válvula de nivel (LV) en la parte

inferior de ese mismo recipiente. También se podría suponer que el transmisor de temperatura (TT) en la

parte superior del evaporador puede ser parte del sistema de control de temperatura que permite a enviar

vapor hacia la camisa de calentamiento de ese recipiente.

 Basándonos solamente en este diagrama, no queda claro a donde se esta enviando la señal del

transmisor de flujo (FT) en la línea de succión antes del compresor. Este nivel de incertidumbre es

perfectamente aceptable para un PFD, porque su propósito es simplemente para mostrar el flujo general

del proceso en sí, y sólo un mínimo de instrumentación de control.

 Diagramas de Procesos e Instrumentacion (Process and Instrument Diagrams)

 El siguiente nivel de detalle es el proceso y el Instrumento Diagrama, o P & ID. Aquí, vemos a un "zoom"

del alcance del proceso de evaporación de todo el compresor como unidad. Por ello que el evaporador y

el “knockout drum“ por poco y desaparecen conjuntamente con su instrumentación en el diagrama P&ID

del compresor.

Ahora vemos que hay más instrumentación asociada con el compresor que un simple transmisor de flujo.

Hay también un transmisor de presión diferencial (PDT), un controlador de flujo que indica (FIC), y una

válvula de control de "recirculacion que permite que parte del vapor que sale de la línea de descarga del

compresor regrese a la línea de succión del compresor. Además, tenemos un par de transmisores de

temperatura que nos informan acerca de las temperaturas de succión  y de la línea de descarga hacia un

registrador indicador.

 A veces, P&ID es sinónimo de Piping and Instrument Diagram. Pero de cualquier manera, significa

la mismo.

 Algunos otros detalles  podemos encontrar dentro de los diagramas P&ID también.  Por ejemplo, vemos

que el transmisor de flujo, controlador de flujo,transmisor de presión y válvula de flujo, todos llevan un

número común: 42. Este común "número de lazo" indica que estos cuatro instrumentos son parte del

mismo sistema de control. Un instrumento con cualquier número de otro lazo es parte de un sistema de

control diferente, la medición y / o el control de alguna otra función en el proceso.

Ejemplos de ello son los dos transmisores de temperatura y sus respectivos registradores, con los

números de lazo de 41 y 43.

 Por favor, tengamos en cuenta las diferencias de las "burbujas" o simbologia de los diagramas,como se

muestra en este P & ID. Algunas de las “burbujas” son sólo círculo abierto, mientras que otros tienen

líneas que recorren el centro. Cada uno de estos símbolos tiene un significado de acuerdo a la norma ISA

(Instrumentation, Systems, and Automation society):

El tipo de "burbuja" o símbolo que se utiliza para cada instrumento nos dice algo acerca de su ubicación.

Esto, obviamente, es muy importante cuando se trabaja en una planta con muchos miles de instrumentos

diseminados en varias de áreas de procesos y sub-plantas.

 La caja rectangular adjuntando a los registradores de temperatura muestra que son parte del instrumento

físico. En otras palabras, esto indica que en realidad sólo hay un instrumento registrador de temperatura,

y que las registra las temperaturas de succión y descarga (lo más probable en el gráfico de la misma

tendencia). Esto sugiere que cada “burbuja” no necesariamente representan un instrumento discreto o

fisico, sino más bien una función de instrumento que puede residir en un dispositivo multi-función.

 Detalles que no podemos ver en este P & ID y en cualquier diagrama similar son los tipos de cable,

número de cables, bloques de terminales, cajas de paso, rangos de calibración de instrumentos, los

modos de fallo, fuentes de energía, y similares. Para examinar este nivel de detalle, tenemos que ir ver el

diagrama de lazo asociado.

Documentación en Instrumentación: PFD, P&ID, Loop Diagram

Toda ingeniería y/o disciplina técnica tiene su propia manera estandarizada de hacer sus diagramas y/o

planos, el mundo de instrumentación y control no es una excepción. El alcance de la instrumentación es

demasiado amplio, por tanto un solo tipo de diagrama no es suficiente para representar todo lo que

nosotros podríamos necesitar. En estos articulos discutiremos los tres tipos de diagramas de

instrumentación. 

• Diagramas de Flujo de Procesos (Process Flow Diagrams - PFDs)

• Diagramas de Instrumentación y Procesos (Process and Instrument diagrams -P&IDs)

• Diagramas de Lazo (Loop diagrams “loop sheets”)

 En el más alto nivel, el ingeniero o técnico instrumentista se interesa en las interconexiones de los

recipientes, líneas, tuberías, rutas de flujo de los fluidos de todo el proceso. La manera adecuada para

representar esta necesidad a “alta escala” de nuestros procesos es utilizar los diagramas llamados

“Diagramas de Flujo de Proceso o Process Flow Diagrams". Instrumentos individuales son

turbiamente representados en un PFD, porque simplemente la principal idea de los PFD es diagramar al

proceso en si.

 En el nivel más abajo, nosotros los ingenieros o técnicos instrumentistas estamos realmente interesados

en las conexiones de instrumentos a detalle, incluyendo todo el diagrama de cableado, numero de

terminales, tipos de cables, rangos de calibración de instrumentos, etc. La forma de representar todos

estos detalles que demanda este “nivel” es mediante los llamados “Diagramas de Lazo” o “Loop

Diagram”. Aquí, recipientes, líneas y tuberías del proceso son representados escasamente, dado que en

este tipo de diagramas no centramos en el instrumento mismo.

 Diagramas de Instrumentación y Procesos o Process and Instrument Diagrams (P&IDs) se

encuentra en un nivel intermedio entre los diagramas de flujo de proceso y diagramas de lazo. Un P&ID

(/Pi and Ay Di) nos muestra todas las partes principales del proceso como recipientes, lineas y

maquinaria, pero con la instrumentación asociada superpuesta en el mismo diagrama mostrando lo que

se esta midiendo y que se esta controlando. Aquí, nosotros podemos ver el flujo de todo el proceso así

como el “flujo” de información entre la instrumentación y control del proceso.

Ejemplo de P&ID

 Adicionalmente, existen otro tipo de diagramas llamados “Diagramas Funcionales” que son usados para

un proposito totalmente diferente: documentar la estrategia del sistema de control. Dentro de un Diagrama

Funcional, ponemos énfasis en representar los algoritmos usados dentro del control de proceso, más no

líneas, cableado o conexiones de instrumentos. Estos diagramas son comúnmente encontrados en la

industria de generación de energía, pero también es usado en otras industrias.

 Como ingenieros y técnicos instrumentistas o de control, debemos frecuentemente consultar entre los

diferentes diagramas cuando estamos intentamos solucionar problemas en sistemas de control

complejos. Entonces la manera adecuada de revisar la documentación asociada con el sistema de control

e instrumentación es empezar con los diagramas PFD o P&ID para tomar un “overview” general del

proceso, y ver con facilidad como los componentes del procesos interactúan. Luego, una vez que

tenemos identificado el “lazo” instrumentado que necesitamos investigar, nos vamos a ver el diagrama de

lazo asociado verificando las conexiones detalladas de sistema instrumentado, entonces conociendo esto

podemos empezar a conectar el equipo de testeo y saber que señales debemos encontrar.

 De manera simple, podemos hacer la analogía con los mapas o precisando con un globo de la tierra, un

atlas de mapas y un mapa de calles de una cuidad. El globo de la tierra (en analogía con los diagramas

PFD) nos da una “idea general” para ver de toda la tierra, paises, y cuidades. Un atlas (en analogía con

un P&ID) nos permite hacer un “zoom” para ver detalladamente provincias en particular, estados, distritos

y rutas de viaje contando todas ellas. Un mapa de cuidad (en analogía con los Diagramas de Lazo) nos

muestra carreteras, canales, calles o incluso direcciones para que nosotros podamos encontrar un ruta en

particular. Seria impractico tener un gran globo terráqueo que muestra a detalle cada cuidad!!. Hay una

cierta economía inherente a la omisión de detalles, tanto en la facilidad de uso y en la facilidad de

mantenimiento.

 En los proximos articulos detallaremos cada uno de los diagramas antes descritos con ejemplos y formas

de interpretarlos.