2.2. Algo de instrumentación

2.2.1. Dispositivos de medida (sensores)

Para el correcto funcionamiento de un sistema de control es imprescindible una buena medida de la variable controlada y unas líneas de transmisión efectivas. Existe una gran cantidad de dispositivos de medida y su número aumenta día a día. Difieren entre sí tanto en el principio básico de medida como en su construcción. En la tabla siguiente se muestran algunos de los sensores más típicos en el control de procesos junto con sus posibles aplicaciones. Para una información más detallada generalmente hay que recurrir a los fabricantes de sensores.

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A continuación se comenta con un poco de detalle cuatro de los dispositivos de medida más utilizados en la industria de procesos.

2.2.1.1. Medidores de caudal

Los medidores de caudal más utilizados en la industria son aquellos que miden una diferencia de presión en el fluido al pasar por un elemento en la línea que crea una pérdida de carga. Para calcular el caudal volumétrico que pasa por ese punto se recurre a la ecuación de Bernoulli. Los más típicos son la placa de orificio, más barata, y el tubo de Venturi, más caro pero de mayor precisión.

Un método diferente de medir el caudal volumétrico es la utilización de turbinas. En este caso se calcula el flujo a partir del número de vueltas de la turbina para un tiempo dado.

En general los medidores de caudal presentan dinámicas muy rápidas que normalmente pueden ser modeladas con las siguiente ecuación algebráica:

$$\text{cuadal}=\alpha \sqrt{\mathrm{\Delta }P}$$

donde $\alpha$ es una constante característica del medidor de caudal y $\mathrm{\Delta }P$ es la diferencia de presión.

2.2.1.2. Sensores de temperatura

Los más comunes son aquellos que miden la temperatura como una señal eléctrica. Entre ellos cabe destacar los termopares. Independientemente de sus diferencias constructivas, su dinámica básica puede ser descrita en función de sus perfiles de temperatura. El elemento sensor de la temperatura siempre se encuentra en el interior de una vaina de metal. Los termopares pueden ser modelados siguiendo sistemas de primer orden o sistemas de segundo orden sobreamortiguados dependiendo de como estén construidos y de los materiales utilizados.

2.2.2. Líneas de transmisión

En el caso de utilizar líneas de transmisión neumática muy largas puede ser que su efecto sobre la dinámica global del sistema no sea despreciable. Normalmente siguen una dinámica que puede ser descrita con la siguiente función de transferencia:

$$\frac{P_o}{P_i}=\frac{e^{-{\tau }_{d}s}}{{\tau }_p+1}$$

donde $P_o$ es la presión de salida de la línea de transmisión neumática, $P_i$ es la presión de entrada y ${\tau }_d/{\tau }_p\approx 0.25$.

2.2.3. Elementos finales de control

El elemento final de control más común es la válvula. El sistema de control cambia la posición del émbolo ya sea utilizando aire comprimido, si es una válvula neumática, o corriente eléctrica. Las válvulas neumáticas se distinguen principalmente en las air-to-close o fail open, en las que el émbolo desciende al aumentar la presión del aire. En caso contrario se trata de válvulas del tipo air-to-open o fail closed.

Las válvulas puede ser modelizadas siguiendo una dinámica de segundo orden. Pero para las válvulas pequeñas o de tamaño medio la dinámica es tan rápida que se puede considerar que es un proceso de primer orden. Para la mayoría de productos el caudal que pasa por la válvula puede ser descrito por la ecuación siguiente:

$$F=Kf(x)\sqrt{\frac{\mathrm{\Delta }P}{\rho }}$$

donde $\mathrm{\Delta }P$ es la caída de presión del fluido al paso de la válvula, $K$ es una constante que depende del tamaño de la válvula, $\rho$ es la densidad del fluido y $f(x)$ es una curva característica para la válvula.

Otros elementos finales de control pueden ser motores de velocidad variable para ventiladores o bombas, la puesta en marcha o apagado de equipos, sistemas electrohidráulicos, etc.